用于 CMS Phase-2 升级的 HPK $n^+$-$p$ 平面像素传感器的评估

为应对计划于 2029 年开始运行的大型强子对撞机高亮度升级 (HL-LHC) 的严峻环境，CMS 将更换其整个追踪系统。追踪器的要求很大程度上由 10 年的长运行时间以及终极性能场景下高达 $7.5\times 10^{34}$ cm$^{-2}$s$^{-1}$ 的瞬时峰值亮度所决定。根据距相互作用点的径向距离，硅传感器将接收到对应于高达 $\Phi_{\text{eq}} = 3.5\times 10^{16}$ cm$^{-2}$ 非电离能量损失的粒子通量。本文聚焦于平面像素传感器设计及其在通量达 $\Phi_{\text{eq}} = 1.4\times 10^{16}$ cm$^{-2}$ 前的资格认证。为开发合适的平面像素传感器，启动了一项 R&D 计划，其中包括由 Hamamatsu 制造的 150 mm (6'') 晶圆、活性厚度 150 $\mu m$、像素尺寸为 $100\times 25$ $\mu m^2$ 和 $50\times 50$ $\mu m^2$ 的 $n^+$-$p$ 传感器。制作了带有 ROC4Sens 和 RD53A 读出芯片的单芯片模块。进行了质子和中子辐照，以及在 DESY 的大规模测试束流活动。本文展示了主要针对 ROC4Sens 读出芯片的多种组件的调查研究。其表明多种设计满足击穿电压、漏电流和效率方面的要求。对于 $50\times 50$ $\mu m^2$ 像素，单点分辨率在非辐照样品中测得为 4.0 $\mu m$，在辐照至 $\Phi_{\text{eq}} = 7.2\times 10^{15}$ cm$^{-2}$ 后为 6.3 $\mu m$。