[论文解读] Recent results of the ATLAS Upgrade Planar Pixel Sensors R&D Project

G. Marchiori|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2011

Particle Detector Development and Performance参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文介绍了ATLAS升级平面像素传感器研发项目最近的研究成果，表明平面硅像素传感器可承受高达2×10¹⁶ neq/cm²的极端辐照通量——这一参数与LHC的第二阶段升级密切相关。关键技术进展包括采用激光刻蚀和ALD钝化的无边传感器技术，可在物理边缘实现接近100%的电荷收集效率，以及SLID键合作为凸点键合的低成本替代方案。

ABSTRACT

The ATLAS detector has to undergo significant updates at the end of the current decade, in order to withstand the increased occupancy and radiation damage that will be produced by the high-luminosity upgrade of the Large Hadron Collider. In this presentation we give an overview of the recent accomplishments of the R&D activity on the planar pixel sensors for the ATLAS Inner Detector upgrade.

研究动机与目标

• 开发能够承受LHC高亮度第二阶段升级预期的2×10¹⁶ neq/cm²辐照通量的抗辐照平面像素传感器。
• 通过探索6英寸晶圆、n-in-p结构以及SLID键合等替代互联方法，降低传感器生产成本。
• 通过开发无保护环的有源或窄边（<450 µm）结构，最大限度减少几何效率损失，避免模块叠接（shingling）需求。
• 通过优化保护环结构和低阈值工作模式，提升高度辐照传感器的信噪比和电荷收集效率。
• 评估新型无边及低边无效区域传感器技术的抗辐照性能和长期表现。

提出的方法

• 利用中子（卢布尔雅那Triga反应堆）和质子（CERN PS、卡尔斯鲁厄）束流对辐照后的平面像素传感器进行测试，以模拟第一阶段和第二阶段的辐照通量。
• 通过IV/CV测量进行电学表征，利用CERN的π介子束流和DESY的电子束流评估电荷收集效率和触发效率。
• 采用TCAD仿真优化保护环几何结构，包括数量、宽度和间距，以提升高辐照条件下的性能。
• 采用激光刻蚀和断裂工艺制造无边传感器原型，并通过原子层沉积（ALD）技术在表面沉积SiO₂、Si₃N₄或Al₂O₃进行钝化。
• 研究SLID键合作为凸点键合的替代方案：在传感器和FEI3芯片上电镀5 µm铜层并覆盖3 µm锡层，随后在300 °C和5 bar条件下进行键合。
• 在多家代工厂（CiS、Micron、滨松、FBK、MPI-HLL）制造测试二极管和像素传感器，并在辐照前后进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 平面硅像素传感器在高达2×10¹⁶ neq/cm²的辐照通量下是否仍能保持足够的电荷收集效率和信噪比？
• RQ2 无边传感器技术是否可消除保护环需求，并将无效边缘区域减少至450 µm以下？
• RQ3 SLID键合是否可替代传统凸点键合，以降低成本并实现更小节距和堆叠结构？
• RQ4 ALD钝化的激光刻蚀无边传感器在高达2×10¹⁶ neq/cm²的辐照通量下是否具备足够的抗辐照性能？
• RQ5 采用6英寸晶圆和优化保护环设计的n-in-p传感器是否能在不牺牲性能的前提下实现成本效益？

主要发现

• 平面像素传感器在2×10¹⁶ neq/cm²辐照通量下仍表现出可测量的电荷收集效率，证实其适用于第二阶段升级最内层探测器的可行性。
• 激光刻蚀并经ALD钝化的无边二极管在1 kV电压下未发生击穿，且在距切割边缘14 µm范围内实现100%电荷收集效率。
• 在无需保护环的情况下，实现了活性区域与边缘仅14 µm的距离，从而实现14 µm的边缘到边缘节距。
• SLID键合的75 µm厚n-in-p传感器表现出与标准凸点键合传感器相当的阈值分散、噪声水平和电荷收集效率。
• 采用激光刻蚀和Al₂O₃钝化的测试二极管击穿电压超过完全耗尽电压，且漏电流极低。
• 采用6英寸晶圆和n-in-p结构有望降低传感器成本，而SLID键合则为凸点键合提供了一种更具成本效益的互联替代方案。