Radiation-Induced Degradation Mechanism of X-ray SOI Pixel Sensors with Pinned Depleted Diode Structure
本文通过器件仿真揭示了XRPIX X射线SOI像素传感器在辐射下暗电流和读出噪声增加的机制，为改进其抗辐射设计提供依据。
2023-06-14 astro-ph.IM physics.ins-det
Lapis SOI Pixel Process
0.2μ m全耗尽SOI技术已被开发用于X射线像素探测器。为了提高探测器的性能，一些先进的工艺技术也在不断发展。为了利用高电阻率FZ-SOI，缓慢的斜坡上升和斜坡下降配方被应用于SOI晶片制造和像素探测器工艺中的热工艺。适当的背侧处理也被应用于防止在衬底完全耗尽的情况下背侧损伤层处的漏电流增加。采用大尺寸探测器芯片拼接曝光技术，可以得到宽约66 mm、高约30 mm的大尺寸探测器芯片。为了改善串扰和辐射耐受性，嵌套阱结构和双SOI晶片现在正在研究用于高级像素结构。
2015-11-16 physics.ins-det
Development of Integration-Type Silicon-On-Insulator Monolithic Pixel Detectors by Using a Float Zone Silicon
在本文中，我们描述了单片像素探测器的发展，通过使用硅绝缘体（SOI）技术的X射线和带电粒子的应用。探测器基于0.2 μ mCMOS全耗尽SOI工艺（Lapis Semiconductor Co.，有限公司）。SOI晶片由用于传感的厚的高电阻率衬底和用于CMOS电路的薄的低电阻率Si层组成。我们开发了集成型SOI像素探测器INTPIX 4，主要用于X射线成像;它由浮区（FZ）或直拉（Cz）硅片制成。自2005年以来，Cz SOI探测器首次使用。2011年后，FZ SOI探测器成功制造。本文叙述了用FZ硅制作SOI单片像素探测器的最新进展和测试结果，并与用CZ硅制作的结果进行了比较。
2018-04-10 physics.ins-det
Characteristics of Non-Irradiated and Irradiated Double SOI Integration Type Sensor
我们正在开发基于0.2 $μ$ m全耗尽绝缘体上硅（SOI）技术的单片像素传感器，用于HEP实验应用。总电离剂量（TID）效应是高能物理实验在硬辐射环境中应用的主要问题。为了补偿TID损伤，我们引入了一种双SOI结构，它具有一个中间硅层（SOI 2层）。研究了集成型双SOI传感器的$\mathrm{^{60}Co}~γ$引起的TID损伤的恢复及其它特性。当我们对SOI 2层施加负电压时，经100 kGy辐照的双SOI传感器显示出与未辐照传感器类似的对IR激光的响应。我们的结论是，双SOI传感器是辐射硬，足以用于在恶劣的辐射环境，如贝尔II或ILC的HEP实验。
2015-07-20 physics.ins-det
Monolithic Pixel Sensors in Deep-Submicron SOI Technology with Analog and Digital Pixels
本文介绍了一个原型单片像素传感器的设计和测试结果，在深亚微米全耗尽绝缘体上硅（SOI）CMOS工艺制造。在SOI技术中，集成电子器件的薄层通过掩埋氧化物与（高电阻率）硅衬底绝缘。蚀刻穿过氧化物的通孔允许从电子层接触衬底，使得可以创建像素注入并且可以施加反向偏置。原型芯片采用OKI 0.15微米SOI工艺制造，具有10微米间距的模拟和数字像素。红外激光和1.35 GeV的电子和电离和非电离剂量的影响的第一次评估进行的测试结果进行了讨论。
2008-11-27 physics.ins-det
Proton radiation hardness of X-ray SOI pixel sensors with pinned depleted diode structure
正在为下一代X射线天文卫星“FORCE”开发X射线SOI像素传感器“XRPIX”。XRPIX采用SOI技术制作，使高阻硅传感器和低阻硅CMOS电路的集成成为可能。每个像素中的CMOS电路配备有触发功能，允许我们在X射线检测的定时仅从具有X射线信号的像素读出输出。因此，该功能实现了高吞吐量和高时间分辨率，这使得能够采用用于背景抑制的反符合技术。一个名为XRPIX 6 E的新系列XRPIX开发了一个钉扎耗尽二极管（PDD）结构，通过抑制传感器和电路层之间的干扰，提高了光谱性能。半导体X射线传感器在空间应用时，由于高能质子的辐射损伤，其光谱性能普遍下降。因此，在空间使用XRPIX之前，有必要评估其光谱性能因辐射损伤而退化的程度。因此，我们在HIMAC的NIRS中首次对XRPIX 6 E进行了质子辐照实验。我们用高能质子照射XRPIX 6 E，总剂量高达40 krad，相当于在轨道上照射400年。40 krad辐照使XRPIX 6 E的能量分辨率降低了25 $\pm$ 3%，对于5.9 keV X射线，在半峰全宽处产生260.1 $\pm$ 5.6 eV的能量分辨率。然而，即使在辐照后，该值也满足FORCE的要求，在6 keV下为300 eV。还发现，与以前的XRPIX器件相比，PDD XRPIX具有增强的辐射硬度。此外，我们研究了能量分辨率的退化;结果表明，退化是由于增加了能量无关的成分…
2021-08-11 astro-ph.IM physics.ins-det
Development and Performance of Kyoto's X-ray Astronomical SOI pixel (SOIPIX) sensor
我们一直在开发单片有源像素传感器，称为京都的X射线SOIPIX，基于CMOS SOI（绝缘体上硅）技术，用于下一代X射线天文卫星。在每个像素中实现的事件触发输出功能提供微秒级时间分辨率，并能够减少在5- 10 keV以上的高X射线能带中占主导地位的非X射线背景。具有厚耗尽层和背照的全耗尽SOI提供0.3- 40 keV的宽带覆盖。在这里，我们报告的X射线SOIPIX发展的最新进展。在本研究中，我们在6 keV下获得了300 eV的能量分辨率（FWHM），在帧读出模式下获得了33 e-（rms）的读出噪声，这使得我们能够清晰地分辨Mn-K $α$和K $β$。此外，我们还制备了厚度为$500~{\rm μm}$的完全耗尽层。事件驱动的读出模式已经成功地证明。
2014-08-20 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Development of high-speed X-ray imaging system for SOI pixel detector
我们正在开发一种新型的利用SOI像素探测器的X射线成像系统。SOI探测器是基于0.2um FD-SOI CMOS工艺的单片辐射成像探测器。还开发了特殊的附加工艺步骤，以产生50~ 500 μ m厚的全耗尽敏感区。SOI探测器的像素高达百万级，因此研制高速数据采集系统对开展实验具有重要意义。我们研制了SOI探测器读出板SEABAS 2（SoiEvolutionBoArdwithSitcp 2）。SEABAS 2板具有16通道65 MSPS ADC、4通道DAC、FPGA和千兆以太网I/F。为了实现DAQ的高吞吐量，我们积极采用并行处理（数据采集和存储），并在软件中实现FIFO缓冲区。在以前的DAQ系统中，INTPIX 4检测器的DAQ吞吐量为6 Hz（41 Mbps），该检测器具有423 kpixels的17 um square。使用新开发的系统，我们可以将此速率提高到90 Hz（613 Mbps）。为了拍摄用于实际目的的X射线图像，例如3D CT，用户必须控制外围设备（移动台、射束快门、监视设备等）。同时拍摄图像。为了方便这种数据采集，我们还实现了外围设备的自动控制功能。介绍了SOI探测器、数据采集系统和实验结果。
2018-03-26 physics.ins-det
Characterisation of novel prototypes of monolithic HV-CMOS pixel detectors for high energy physics experiments
计划于2024年对ATLAS实验进行升级，用于LHC的高亮度阶段，并预计将用完全由硅器件制成的新内部跟踪器（ITk）取代现有的内部探测器（ID）。耗尽的有源像素传感器与高电压CMOS（HV-CMOS）技术构建的调查作为一个选项，以覆盖大面积的像素检测器的最外层，是特别感兴趣的单片器件的发展，这将降低生产成本和材料预算相对于本混合组件。为此，H35 DEMO是一款大面积HV-CMOS演示芯片，由KIT、IFAE和利物浦大学设计，并采用AMS 350 nm CMOS技术生产。它由四个像素矩阵和额外的测试结构。两个矩阵包括放大器和放大器级，因此被设计为作为单片检测器操作。在这些装置中，信号主要由通过施加100 V量级的偏置电压获得的小耗尽体积中的电荷漂移产生。此外，为了增强芯片的辐射硬度，该技术允许将电子器件封装在也用作收集电极的相同深N阱中。在这方面的贡献的H35 DEMO芯片的特性和结果的第一束测试测量的单片CMOS矩阵与高能量π介子在欧洲核子研究中心SPS将提交。
2017-05-15 hep-ex physics.ins-det
From Hybrid to CMOS Pixels ... a possibility for LHC's pixel future?
混合像素探测器已经为LHC发明，使跟踪和顶点在LHC的辐射强烈的环境中成为可能。同时，LHC像素探测器非常成功地实现了他们的承诺，计划中的HL-LHC升级的研发工作正在全面展开，目标是更高的电离剂量和非电离通量。在速率和辐射耐受性方面，混合像素是无与伦比的。但它们也有缺点，最明显的是材料厚度，生产复杂性和成本。与此同时，有源像素传感器（DEPFET，MAPS）也已成为真正的像素探测器，但它们远不能承受来自HL-LHC的速率和辐射。新的MAPS开发，所谓的DMAPS（耗尽MAPS），其是在耗尽区域中具有电荷收集的全CMOS像素结构，已经成为高速率/辐射水平下像素的研发焦点。这个目标也许可以利用HV技术、高欧姆衬底和/或基于SOI的技术来实现。本文涵盖了原型研究的主要思想和一些令人鼓舞的结果，而不是隐藏的困难。
2015-09-30 physics.ins-det
Characterisation of SiC radiation detector technologies with synchrotron X-rays
本研究针对高辐射环境探测需求，对IMB-CNM制备的四种4H-SiC二极管探测器进行同步辐射X射线表征，发现12%-19%的过响应现象，验证了其在0V偏压下的良好均匀性与线性，证实了该SiC探测器用于低能高能X射线探测的优异性能。
2024-11-19 physics.ins-det
Characterisation of AMS H35 HV-CMOS monolithic active pixel sensor prototypes for HEP applications
采用高压CMOS（HV-CMOS）技术生产的单片有源像素传感器由于易于生产和降低成本而被考虑用于高能物理应用。当涉及大面积覆盖和材料预算时，这种技术特别有吸引力。这是HL-LHC未来ATLAS跟踪探测器的最外层像素层的情况。对于强子对撞机的实验，辐射硬度是一个关键的要求，这是不符合标准的CMOS传感器设计，收集电荷的扩散。这个问题已经通过耗尽型有源像素传感器来解决，其中电子器件被嵌入到大的深注入中，确保通过漂移进行均匀的电荷收集。混合耗尽有源像素传感器的第一个小型原型已经显示出与ATLAS要求兼容的辐射硬度。然而，为了与当前的混合解决方案竞争，期望通过完全单片设计可实现的成本的进一步降低。H35 DEMO是一款采用AMS 350 nm HV-CMOS技术生产的大电极全掩模演示芯片，由卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、高等能源研究所（IFAE）、利物浦大学和日内瓦大学合作生产。它包括两个大的单片像素矩阵，可以独立操作。这两个矩阵之一已被表征在束流测试之前和之后的质子和中子照射。结果表明，在HV-CMOS工艺生产抗辐射的大面积全单片像素传感器的可行性。用中子辐照的衬底电阻率为200 $Ω$ cm的H35 DEMO芯片显示出高达$10^{15}$ n $_{eq}$ cm $^{-2}$的能量密度的辐射硬度，命中效率约为99%，并且在150 V下，在25 ns的LHC聚束穿越中，噪声占用低于…
2019-01-30 hep-ex physics.ins-det
Kyoto's Event-Driven X-ray Astronomy SOI pixel sensor for the FORCE mission
我们一直在开发单片有源像素传感器，X射线天文SOI像素传感器，XRPIXs，基于绝缘体上硅（SOI）CMOS技术，作为未来日本任务的软X射线传感器，FORCE（聚焦相对论宇宙和宇宙演化）。该任务的特点是宽带（1-80 keV）X射线成像光谱与高角分辨率（$<15$ ~arcsec），与以前的任务相比，我们可以实现约10倍的灵敏度高于10 keV。通过在每个像素中实现的事件触发输出功能，可以立即读出仅被X射线击中的像素，时间分辨率高于$10~{\rm μsec}$（事件驱动读出模式）。它使我们能够进行快速定时观测，并通过采用反符合技术，减少了在5- 10 keV以上高X射线能带的非X射线背景的支配。在本文中，我们介绍了我们的最新结果的发展XRPIXs。(1)我们成功地开发了一种三面可对接的背面照明装置，其成像区域尺寸为21.9 mm $\times$ 13.8 mm，像素尺寸为$36~{\rm μm} \times 36~{\rm μm}$。在事件驱动读出模式下，器件的X射线通量达到0.57 kHz以上。(2)我们开发了一种使用双SOI结构的器件，并发现该结构通过抑制传感器和电路层之间的电容耦合干扰来提高事件驱动读出模式下的光谱性能。(3)我们还开发了一种新的设备配备了钉扎耗尽型二极管结构，并确认该结构减少了暗电流产生的传感器和SiO $_2$绝缘层之间的界面区域。在事件驱动读出模式…
2018-07-29 astro-ph.IM physics.ins-det
Performance of SOI Pixel Sensors Developed for X-ray Astronomy
我们一直在开发基于绝缘体上硅技术的单片有源像素X射线传感器。我们的器件由一个低电阻率的硅层读出CMOS电子，高电阻率的硅传感器层，和它们之间的SiO $_2$层。这种配置允许我们在单片器件中既有高速读出电路又有厚的（大约$100~μ{\rm m}$）耗尽层。每个像素电路都包含触发输出功能，利用该功能可以实现$\lesssim 10~μ{\rm s}$的时间分辨率。我们的主要开发项目之一是提高能量分辨率。我们最近制作了一个名为XRPIX 6 E的器件，我们引入了钉扎耗尽二极管（PDD）结构。该结构减小了传感器层中的感测区域与像素电路之间的电容耦合，这降低了光谱性能。使用XRPIX 6 E，我们实现了$\sim 150$ ~eV的能量分辨率为6.4 keV的X射线的半峰全宽。除了良好的能量分辨率之外，实际使用还需要大的成像区域。我们开发并测试了XRPIX 5 b，它的成像面积为$21.9~{\rm mm} \times 13.8~{\rm mm}$，是我们制造的最大的设备。我们成功地从几乎所有的$608 \times 384$像素获得了高均匀性的X射线数据。
2018-12-14 astro-ph.IM physics.ins-det
First results on monolithic CMOS detector with internal gain
European Organisation for Nuclear Research (CERN)（欧洲核子研究中心）
本文报道了单片CMOS探测器内部增益的初步测试结果，展示了其在高能物理实验中的应用潜力。
2024-06-28 hep-ex physics.ins-det
