[论文解读] Radiation Hardness of MALTA2 Monolithic CMOS Sensors on Czochralski Substrates

M. Van Rijnbach, Dumitru Vlad Berlea+27 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2023

Particle Detector Development and PerformancePhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文介绍了MALTA2，一种在高电阻率Czochralski（Cz）硅衬底上采用背面金属化的下一代单片CMOS像素传感器，其在高达3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²的辐射剂量下表现出优异的抗辐射能力。该传感器在110 e⁻阈值下实现了98%的探测效率和6.3 ns的定时分辨率（RMS），且在n⁻层掺杂浓度极高的样品中表现出卓越的性能与均匀性，证实了其在未来高能物理实验中具备增强的抗辐射能力。

ABSTRACT

MALTA2 is the latest full-scale prototype of the MALTA family of Depleted Monolithic Active Pixel Sensors (DMAPS) produced in Tower Semiconductor 180 nm CMOS technology. In order to comply with the requirements of High Energy Physics (HEP) experiments, various process modifications and front-end changes have been implemented to achieve low power consumption, reduce Random Telegraph Signal (RTS) noise, and optimise the charge collection geometry. Compared to its predecessors, MALTA2 targets the use of a high-resistivity, thick Czochralski (Cz) substrates in order to demonstrate radiation hardness in terms of detection efficiency and timing resolution up to 3E15 1 MeV neq/cm2 with backside metallisation to achieve good propagation of the bias voltage. This manuscript shows the results that were obtained with non-irradiated and irradiated MALTA2 samples on Cz substrates from the CERN SPS test beam campaign from 2021-2023 using the MALTA telescope.

研究动机与目标

• 开发一种适用于高亮度LHC实验的抗辐射单片CMOS像素传感器，其辐照耐受性需超过10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²。
• 评估在高电阻率Czochralski（Cz）硅衬底上制造的MALTA2传感器的性能，该衬底可提供更大的耗尽区体积并改善电荷收集效率。
• 评估背面金属化对厚Cz衬底中偏置电压传播及传感器性能的影响。
• 研究n⁻层掺杂浓度对辐照后定时分辨率和探测均匀性的影响。
• 通过CERN SPS设施的测试束流实验，利用MALTA望远镜验证MALTA2的抗辐射能力。

提出的方法

• 采用Tower Semiconductor的180 nm CMOS工艺制造MALTA2传感器，包含三种像素类型：标准（STD）、带间隙的n⁻层（NGAP）以及附加深p型井（XDPW）。
• 使用高电阻率p型Czochralski衬底（100 µm厚），以增大耗尽区体积并提高电荷收集效率。
• 采用背面金属化技术，确保偏置电压在传感器表面均匀分布，这对厚Cz衬底中的性能表现至关重要。
• 利用CERN SPS测试束流对MALTA2样品进行辐照，辐照剂量最高达3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²，以模拟HL-LHC的工作条件。
• 通过MALTA望远镜系统进行表征，结合闪烁体参考信号，实现粒子轨迹的精确时间与位置重建。
• 分析关键性能指标：探测效率、簇大小、时间差分布的RMS定时分辨率，以及像素阵列上的时间偏移均匀性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高电阻率Czochralski衬底如何影响MALTA2传感器的抗辐射能力与电荷收集性能？
• RQ2 背面金属化对厚衬底中偏置电压分布均匀性及传感器响应有何影响？
• RQ3 n⁻层掺杂浓度在辐照至3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²后，如何影响定时分辨率与探测均匀性？
• RQ4 MALTA2能否在HL-LHC应用所需的最高辐照剂量水平下实现足够的探测效率与定时分辨率？
• RQ5 在相同辐照条件下，具有极高n⁻掺杂浓度的XDPW像素设计相较于高掺杂样品的性能表现如何？

主要发现

• 未辐照的MALTA2传感器在Cz衬底上于150 e⁻阈值下实现99%的探测效率和1.7 ns的定时分辨率（RMS），其中98%的信号在25 ns内被收集。
• 在3 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²辐照剂量下，n⁻层掺杂浓度极高的MALTA2样品在110 e⁻阈值下实现98%的探测效率和平均1.7像素的簇大小。
• 同一辐照样品中，极高的n⁻掺杂浓度使定时分辨率达到6.3 ns（RMS），其中95%的簇在25 ns内被收集。
• 极高的n⁻掺杂样品在像素对角线方向表现出优于高掺杂样品的定时均匀性，表明其具备更优的抗辐射能力。
• 该极高的n⁻掺杂样品性能与仅辐照至2 × 10¹⁵ 1 MeV nₑq/cm²的高掺杂样品相当，表明其抗辐射能力显著增强。
• 背面金属化有效实现了厚Cz衬底中的偏置电压传播，这对在传感器全区域实现一致性能至关重要。