基于列漏极架构用于 HL-LHC 升级的 CMOS 单片像素传感器

耗尽型单片有源像素传感器（DMAPS）构成了 ATLAS 实验内追踪器（ITk）外层一种有前景的低成本替代方案。采用现代高电阻率 CMOS 工艺的实现通过实现感应体积的显著耗尽而增强了其辐射耐受性。基于相同“列漏极”读出架构、并基于名为 LF-Monopix 与 TJ-Monopix 的不同传感器实现概念的两款 DMAPS 原型，已为大型强子对撞机高亮度升级（HL-LHC）而开发。LF-Monopix 采用 LFoundry 150 nm 工艺制造，具有 $50x250~\mu m^{2}$ 的像素尺寸以及为高通量辐射耐受性而选取的大收集电极。在辐照至 $1\cdot10^{15}~n_{eq}/cm^{2}$ 后，测得探测效率高达 99\%。TJ-Monopix 是一款大规模 $(1x2~cm^{2})$ 原型，具有 $36x40~\mu m^{2}$ 尺寸的像素。其采用新型 TowerJazz 180 nm 改进工艺制造，该工艺可实现敏感层的完全耗尽，同时采用对串扰较不敏感的小收集电极。由此产生的小传感器电容（$<=3~fF$）被一种紧凑、低功耗前端所利用，该前端经优化以满足 25ns 时序要求。测量结果表明，该传感器在等效噪声电荷（ENC）$\approx11e^{-}$、阈值 $\approx300~e^-$、阈值离散 $\approx30~e^-$ 以及总功耗低于 $120~mW/cm^2$ 方面具有性能。