Progress on the radiation tolerance of CMOS Monolithic Active Pixel Sensors
CMOS单片有源像素传感器（CPS）是超轻和高粒度硅像素探测器，适用于高灵敏度带电粒子跟踪。CPS采用具有成本效益的标准CMOS工艺制造，可以将传感元件与模拟和数字数据处理电路集成到一个单片芯片中。这变成了$50~\rm μm$薄传感器，其提供了几个$~\rm μm$的出色的典型空间分辨率和高于$99.9\%$的最小电离粒子的检测效率。CPS的辐射耐受性最初受到用于其生产的CMOS工艺的限制的约束，但在过去几年中已经提高了几个数量级。本文综述了斯特拉斯堡IPHC公司开发的MIMOSA系列辐射防护系统在传统的部分耗尽活性介质的CPS抗辐射性能方面的研究进展。讨论了非标准像元辐射损伤的评估方法，介绍了辐射损伤的主要机理。示出了用于辐射硬化的技术。此外，最近的结果下一代CPS功能完全耗尽传感器的基础上改进的CMOS工艺进行了总结。
2019-09-24 hep-ex physics.ins-det
Electrical Characterization of 180 nm ATLASPix2 HV-CMOS Monolithic Prototypes for the High-Luminosity LHC
我们报告的实验研究上取得的连续原型的高电压CMOS（HV-CMOS）ATLASPix 2传感器的跟踪检测器的应用，开发与180 nm的特征尺寸。这些传感器主要用于鉴定外围数据处理模块（例如，命令解码器、触发缓冲器等）。与奥地利艾迈斯半导体公司和美国TSI半导体公司制造的前一代ATLASPix 1相比，它是24 X 36像素化传感器的更小版本。艾迈斯半导体生产的ATLASPix 2在非辐照条件下的击穿电压为50 V，与其前身ATLASpix 1相同，而TSI生产的原型报告的击穿电压大于100 V。选定的MCz 20Ohm.cm P型衬底电阻率可降低十分之几微米，其中工艺驱动的表面损伤可对辐照前后的器件工作条件产生更大影响。为了了解辐照情况下器件的固有性能，JSI针对不同注量进行了专门的中子辐照活动。辐照后在不同温度下进行表征，分析辐照前后的漏电流和击穿电压。TSI原型表现出的击穿电压下降90 V，由于碰撞电离和增强的有效掺杂浓度。结果表明，中子辐照装置的能量密度达到2 × 10^15 neq/cm 2时，仍然可以在足够高的电压下安全运行，从而实现高效率。在选择性辐照的ATLASPix 2样品上也进行了加速退火步骤，相当于超过两年的室温退火（20摄氏度），并且它们显示出令人放心的预期击穿电压增加和损伤常数速率α ^*（几何形状相关）降低，这是由有益的退火驱动的。
2020-04-22 physics.ins-det
Radiation Tolerance of CMOS Monolithic Active Pixel Sensors with Self-Biased Pixels
CMOS单片有源像素传感器（MAPS）被提出作为核物理和粒子物理中各种顶点探测器的技术。我们讨论了电离辐射对无死时间的MAPS（即所谓的自偏置像素）的损伤机制。此外，我们还讨论了辐射硬化传感器设计，该设计允许在将探测器暴露于1 Mrad以上的辐射剂量后操作探测器
2009-08-28 nucl-ex physics.ins-det
Charge collection and efficiency measurements of the TJ-Monopix2 DMAPS in 180$\,$nm CMOS technology
本文研究了采用180 nm CMOS工艺的TJ-Monopix2单片像素探测器的电荷收集与探测效率，通过低剂量n型硅注入改进工艺以提升抗辐射能力，并通过实验室测量和束流测试验证了未辐照模块的电学特性与击中探测效率。
2023-01-31 physics.ins-det
The speedster-EXD - A new event-triggered hybrid CMOS x-ray detector
我们目前的Speedster-EXD，一个新的事件驱动的混合CMOS探测器（HCD）与宾夕法尼亚州立大学和Teledyne成像系统合作开发的初步表征。HCD具有优于CCD的优点，包括对辐射损伤的敏感性较低，功耗较低，以及更快的读出时间以避免堆积。它们被深度耗尽，能够探测到低至约0.1 keV的x射线。与之前发布的HCD相比，Speedster-EXD具有额外的像素内功能，包括：（1）像素内比较器，其使得能够仅读出具有来自X射线事件的信号的像素，（2）四种不同的增益模式以优化全阱容量或能量分辨率，（3）像素内CDS减法以减少读取噪声，以及（4）低噪声，高增益CTIA放大器，以消除像素间电容串扰。当使用比较器功能时，用户可以设置比较器阈值，并且仅读取高于阈值的像素。该功能可以在两种模式下运行，包括单像素读出和3x 3读出，在单像素读出中，仅读出阈值以上的像素，在3x 3读出中，读出以X射线事件的中心像素为中心的3x 3区域。Speedster-EXD的比较器功能可将探测器阵列的有效帧速率提高几个数量级。Speedster-EXD混合CMOS X射线探测器的新特性与未来需要大幅面硅成像仪的高通量X射线任务特别相关。
2014-11-17 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
Proton radiation damage tolerance of wide dynamic range SOI pixel detectors
我们一直在开发SOI像素探测器“INTPIX”，用于空间用途和一般用途，如轨道的残余应力测量和高能物理实验。INTPIX是一款单片像素探测器，由高电阻率Si传感器、SiO2绝缘体和采用绝缘体上硅（SOI）技术的CMOS像素电路组成。我们已经考虑了使用INTPIX在空间中观察X射线偏振的可能性。当半导体探测器在太空中使用时，它会受到高能质子的辐射损伤。因此，有必要研究INTPIX是否具有用于空间的高辐射耐受性。INTPIX8在日本国立量子科学研究所HIMAC用6 MeV质子辐照，总剂量高达2 krad，并评估了性能的退化，如能量分辨率和像素之间的增益和读出噪声的不均匀性。经过500 rad辐照（这是X射线天文卫星的典型寿命）后，14.4 keV能量分辨率的退化小于10%，读出噪声和像素间增益的非均匀性恒定在0.1%以内。
2022-09-08 astro-ph.IM physics.ins-det
Testbeam performance results of bent ALPIDE Monolithic Active Pixel Sensors in view of the ALICE Inner Tracking System 3
ALICE内部跟踪系统最近升级为完全由MAPS组成的全硅探测器，围绕LHC束管排列在七个同心层中。更进一步，在LHC Long 2013期间，ALICE合作计划用一种新的顶点检测器取代这种新ITS的三个最内层。拟议的设计特点晶圆级，超薄，真正的圆柱形MAPS。新的传感器将减薄到20-40 \textmu m，每层材料预算小于0.05 x/ $\mathrm{X_{0}}$，前所未有的低，并将围绕束管同心布置，距离互作用点18 mm。预计在新的65纳米CMOS技术节点的第一个原型，一个积极的R\&D计划正在进行中，以测试现有的50 { \textmu }m厚的ALPIDE传感器的弯曲响应。许多这样的芯片被成功弯曲，甚至低于目标最内半径，没有机械损坏的迹象，同时在实验室测试中保留了它们的全部电气功能。弯曲的探测器随后在粒子束活动期间进行了测试，其中评估了它们的粒子探测性能。在这篇文章中，将介绍弯曲ALPIDE传感器数据分析的试验梁亮点。实验证明，目前采用180 nm CMOS工艺生产的ALPIDE在弯曲后仍保持其性能。结果表明，效率一般低于$10^{-4}$，独立于入射光束相对于传感器表面的倾斜和位置。这一令人鼓舞的结果证明，使用弯曲的MAPS是未来硅探测器设计的一个令人兴奋的可能性，因为不仅传感器可以在机械上经受住弯曲的考验，而且使其在内部跟踪层中具有吸引力的诱人属性与平坦状态相当。
2022-05-25 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
Design, fabrication and testing of Al/p-Si Schottky and pn junctions for radiation studies
本文设计并制造了用于高能物理辐射研究的Al/p-Si肖特基和pn结二极管，提供了辐照前的测试结果，以支持辐射损伤建模和器件优化。
2024-06-26 hep-ex physics.ins-det
X-ray Radiation Damage Effects on Double-SOI Pixel Detectors for the Future Astronomical Satellite "FORCE"
针对未来X射线天文卫星FORCE的XRPIX探测器，本文通过10 krad X射线辐照实验和TCAD仿真，评估了双SOI结构的辐射损伤效应，揭示了暗电流增加源于Si/SiO2界面态密度增大。
2022-05-26 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.ins-det
A Monolithic active pixel sensor for ionizing radiation using a 180nm HV-SOI process
提出了一种基于厚膜高压SOI（HV-SOI）技术的改进型SOI-MAPS（Silicon On Insulator Monolithic Active Pixel Sensor）电离辐射传感器。类似于现有的基于全耗尽SOI（FD-SOI）的MAPS，掩埋氧化硅间电介质（BOX）层用于将CMOS电子器件与用作耗尽电荷收集层的处理晶片分离。FD-SOI MAPS遭受辐射损伤，例如由于氧化物层中的电荷陷阱和氧化硅边界处产生的电荷状态（背栅效应）而导致的晶体管阈值电压偏移。X-FAB 180 nm HV-SOI技术通过BOX层和有源电路之间的深非耗尽注入提供了额外的隔离，从而缓解了这一问题。因此，我们在这项技术中看到了实现具有快速电荷收集特性的耐辐射MAPS的高潜力。第一个原型的设计和测量结果，包括中子辐照样品中的电荷收集。
2015-02-23 hep-ex physics.ins-det
Characterisation of silicon microstrip detectors for the ATLAS Phase-II Upgrade with a micro-focused X-ray beam
计划于2025年建成的HL-LHC（高光度LHC）旨在通过将光度大幅提高至6*10^34 cm^-2 s^-1来最大限度地发挥物理潜力。亮度增加的结果是，在运行10年后，预计在3000 fb^-1时会出现辐射损伤，这就要求跟踪探测器能够承受超过1*10^16 1 MeV n_eq/cm ^2的注量。为了应对随之增加的读出速率，正在开发对当前ATLAS内部探测器（ID）进行完全重新设计的内部跟踪器（ITk）。ITk的ATLAS条带跟踪器区域的两个提议的探测器在具有3 μ m FWHM 15 keV微聚焦X射线束的金刚石光源处被表征。测试中的器件是320 μ m厚的硅立体（Barrel）ATLAS 12条微型传感器，其线键合到130 nm CMOS二进制读出芯片（ABC 130），以及320 μ m厚的全尺寸径向（端盖）条传感器-利用双金属读出层-线键合到250 nm CMOS二进制读出芯片（ABCN-25）。两种探测器的分辨率都优于74.5 μ m条带的条带间距。条带之间的p-停止扩散层的效果进行了详细研究的引线键合焊盘区域。带间电荷收集测量表明，硅传感器上的带的有效宽度由带之间的p-停止区域而不是带间距决定。
2016-07-01 hep-ex physics.ins-det
A beam monitor using silicon pixel sensors for hadron therapy
我们报道了一个用于强子治疗在线监测的束流监测器的设计和测试结果。束流监视器使用八个硅像素传感器\textit{Topmetal-${II}^-$}作为阳极阵列。\textit{Topmetal-${II}^-$}是采用CMOS 0.35 $μ$ m技术设计的电荷传感器。每个\textit{Topmetal-${II}^-$}传感器都有$72\times72$像素，像素大小为$83\times83$ $μ$ m $^2$。在我们的设计中，束流穿过束流监测器而不撞击电极，使得束流监测器特别适合于监测重离子束。这种设计还减少了对射束监视器本身的辐射损伤。在兰州重离子加速器（HIRFL）上用碳离子束对束流监测器进行了测试。结果表明，该束流监测器可以测量束流的位置、入射角和强度，位置分辨率优于20 $μ$ m，角分辨率约为0.5 $^\circ$，强度统计精度优于2 $\%$。
2017-01-19 physics.ins-det physics.med-ph
