[论文解读] MALTA-Cz: A radiation hard full-size monolithic CMOS sensor with small electrodes on high-resistivity Czochralski substrate

H. Pernegger, P. Allport+37 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle Detector Development and Performance被引用 1

一句话总结

该论文提出MALTA-Cz，一种在高电阻率Czochralski硅衬底上制造的全尺寸、抗辐射单片CMOS传感器，具有3.5 µm的小电极和512×512像素阵列，像素间距为36.4 µm。该传感器在经历2×10¹⁵ nₑq/cm²辐照后，实现了亚2 ns的时间分辨率和>95%的探测效率，展现出优异的抗辐射能力，以及在高亮度LHC追踪应用中出色的时空性能。

ABSTRACT

Depleted Monolithic Active Pixel Sensor (DMAPS) sensors developed in the Tower Semiconductor 180 nm CMOS imaging process have been designed in the context of the ATLAS ITk upgrade Phase-II at the HL-LHC and for future collider experiments. The "MALTA-Czochralski (MALTA-Cz)" full size DMAPS sensor has been developed with the goal to demonstrate a radiation hard, thin CMOS sensor with high granularity, high hit-rate capability, fast response time and superior radiation tolerance. The small pixel size ($36.4 imes 36.4$~$μ$m$^2$) provides high spatial resolution. Its asynchronous readout architecture is designed for high hit-rates and fast time response in triggered and trigger-less detector applications. The readout architecture is designed to stream all hit data to the multi-channel output which allows an off-sensor trigger formation and the use of hit-time information for event tagging. The sensor manufacturing has been optimised through process adaptation and special implant designs to allow the manufacturing of small electrode DMAPS on thick high-resistivity p-type Czochralski substrate. The special processing ensures excellent charge collection and charge particle detection efficiency even after a high level of radiation. Furthermore the special implant design and use of a Czochralski substrate improves the sensor's time resolution. This paper presents a summary of sensor design optimisation through process and implant choices and TCAD simulation to model the signal response. Beam and laboratory test results on unirradiated and irradiated sensors have shown excellent detection efficiency after a dose of $2 imes10^{15}$ 1 MeV n$_{eq}$/cm$^{2}$. The time resolution of the sensor is measured to be $σ=2$~ns.

研究动机与目标

• 为高亮度LHC追踪应用开发一种抗辐射、全尺寸的单片CMOS传感器，具备极端抗辐射能力。
• 解决小电极传感器中因辐射诱导陷阱导致像素角落电荷收集效率降低的挑战。
• 通过结合小电极与厚实、高电阻率的Czochralski衬底，优化传感器性能，以增强信号幅度和抗辐射能力。
• 通过异步读出和时间标记，实现>100 MHz/cm²的高事件率运行，适用于无触发和有触发的探测器系统。
• 在保持低功耗和低噪声的前提下，实现亚10 µm的空间分辨率和<2 ns的时间分辨率，通过最小化电容实现。

提出的方法

• 设计一个512×512像素的单片CMOS传感器，采用直径为3.5 µm的收集电极，以最小化输入电容并提高信噪比。
• 采用新型像素掺杂结构，结合p型和n型掺杂，以增强像素角落的电荷收集效率，尤其是在辐照后。
• 在高电阻率p型Czochralski（Cz）硅衬底（电阻率~10 kΩ·cm）上制造传感器，以实现深耗尽和更大的电离电荷收集。
• 采用异步读出架构，将所有触发数据流式传输至多通道输出，实现离传感器的触发生成和精确的事件时间标记。
• 利用TCAD仿真模拟信号响应，优化不同偏置电压和辐照水平下的电荷收集和时间分辨率。
• 在DESY进行束流测试，并利用⁹⁰Sr源和宇宙射线进行实验室测试，以测量辐照前后的时间分辨率和探测效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 全尺寸单片CMOS传感器是否能通过小电极实现超过10¹⁵ nₑq/cm²的抗辐射能力以及100 Mrad TID？
• RQ2 与外延衬底相比，使用高电阻率Czochralski衬底在电荷收集和信号幅度方面有何改善？
• RQ3 MALTA-Cz传感器可实现的时间分辨率是多少？其随偏置电压和耗尽深度如何变化？
• RQ4 改进的像素掺杂设计在多大程度上缓解了像素角落的辐射诱导电荷捕获？
• RQ5 在经历2×10¹⁵ nₑq/cm²辐照后，传感器能否保持>95%的探测效率？与外延版本相比如何？

主要发现

• 使用PicoTDC和⁹⁰Sr源测量，MALTA-Cz传感器的时间分辨率达到σ = 2 ns，且在更高偏置电压下分辨率进一步提升。
• 在经历2×10¹⁵ nₑq/cm²辐照后，传感器探测效率仍保持在>95%，展现出卓越的抗辐射能力。
• 采用高电阻率Czochralski衬底可实现更大的耗尽深度，从而产生显著更大的电离电荷信号，优于外延传感器。
• 随着偏置电压增加，MALTA传感器与触发闪烁体之间的时间差分布变窄，在100 MHz束流交叉率下实现全时间效率（>95%）。
• 簇宽测量显示，由于耗尽更深，Czochralski传感器上的簇更宽，可被用于电荷插值以提升空间分辨率。
• 异步读出架构成功实现所有触发数据的流式传输，支持离传感器的触发生成和精确的时间戳标记，有利于事件重建。