近年来，硅传感器技术在数码相机等电子产品上得到广泛的应用，它也在科研的最前线扮演越来越重要的角色。其中一个重要科研应用就是在大型强子对撞机上粒子探测器应用。

大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）位于法国与瑞士的交界，总长27公里，是现在世界上最大、能量最高的粒子对撞机。LHC每隔25纳秒进行一次质子团对撞，每次对撞产生成千上万的次级粒子。粒子物理学家研制出先进的硅像素与硅微条粒子探测器，每隔25纳秒给LHC对撞产物的粒子径迹“拍照”，并从中探索物质最深层次的结构。但是，抗辐照硅粒子探测器技术由日本与欧美掌握，过去30年，LHC实验上硅传感器基本上都是由日本滨松公司提供。

为了打破欧美与日本在该领域的技术垄断，中国科学院高能物理研究所（高能所）在多年前就开始进行技术积累，并培养半导体探测器与电子学的人才。高能所梁志均曾先后在英国牛津大学与美国加州大学担任两期博士后，期间他从事抗辐照硅探测器的工作，并积累相关经验，立志要把该技术国产化。

在最近几年，硅粒子传感器研究领域出现新的机遇。LHC上粒子物理学家已经不满足于每次对撞拍一个“照片”，需要提高时间分辨率，把每次对撞拍成“视频”，从而可以在更高亮度对撞中进行更深入的研究。在此背景下，LHC上两个最大的实验ATLAS与CMS实验几乎同时提出研制数平方米的硅基高时间分辨硅探测器项目。

梁志均在2016年回国后捉住这个机遇，组建团队开始为ATLAS实验研发基于低增益雪崩二极管（LGAD）的高时间分辨传感器，并与日本滨松公司、意大利FBK公司展开竞争。刚开始时，日本滨松公司在该竞争中占据绝对的优势，然而其产品的抗辐照性能与ATLAS实验的要求有一定差距。梁志均团队针对LGAD硅传感器抗辐照性能的问题，与多个合作单位用国产半导体工艺进行多番探索，尝试了多个抗辐照加固方案进行改良。抗辐照硅传感器的工艺调整与流片都是有很高的成本，梁志均把他的人才启动经费都用于启动传感器研制与流片中，并且组织学生、博士后与职工进行传感器工艺设计，与传感器抗辐照机制原理的研究，不断提高团队的实验与理论水平。梁志均团队的工作在积累到一定研究基础后，先后获得“核探测与核电子学”国家重点实验室与国家自然科学基金委的项目支持。

经过不计成本地多次流片尝试后，高能所梁志均团队与中科院微电子所在2021年合作研制出大面积、多像素的国产高时间分辨率硅传感器，该传感器流片后的照片如图1，2，3所示。大面积的抗辐照硅传感器有多个毫米级小像素组成，每个像素均可以做独立的带电粒子探测，并具有30皮秒左右的时间分辨率，同时兼具超高时间分辨率与较好的空间分辨率。其中，高能所团队负责该传感器工艺仿真与版图设计工作，微电子所团队负责流片与工艺优化，国内团队掌握了核心的关键技术。经过ATLAS合作组与RD50合作组的测试与验证，该国产LGAD硅传感器在经过高亮度LHC要求的超高辐照剂量（2.5×1015等效中子通量）后，仍能达到35皮秒的时间分辨率，是目前性能最佳的LGAD高时间分辨硅传感器之一。它的时间分辨率比一般的硅像素粒子探测器提高了几十倍。

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图1：高能所与微电子所合作研制的抗辐照硅传感器晶圆与高能所学生的合照。

图2：4个国产抗辐照硅传感器晶圆放在晶圆盒中。

图3：高能所与微电子所合作研制的抗辐照高时间分辨硅传感器的8寸晶圆正面图。其中，大面积的抗辐照硅传感器有多个毫米级小像素组成，每个像素均可以做独立带电粒子探测，并具有30皮秒左右的时间分辨率，同时兼具超高时间分辨率与较好的空间分辨率。

梁志均团队在国产LGAD传感器研发过程中创新性地优化掺碳的加固工艺，显著降低了辐照引起的硅传感器中硼掺杂的移除速率，大大提高了其抗辐照性能。该国产LGAD传感器的抗辐照性能显著地优于主要竞争对手意大利FBK研究所与日本滨松公司的LGAD传感器。其测试结果已经通过欧洲核子中心（CERN）的探测器讲座和CERN的实验物理新闻（CERN EP Newsletter）公布，后续的结果也发表在IEEE等国际权威杂志上。抗辐照LGAD国产硅传感器的成功研发打破了日本与欧美对抗辐照硅传感器的技术垄断。

高能所团队在ATLAS实验高时间分辨率探测器项目（HGTD）中除了主导传感器研发外，也主导了探测器模块组装、电子学研发等多个核心技术研发工作，得到ATLAS合作组的高度认可。高能所ATLAS组长Joao Guimaraes da Costa在2022年后被任命为ATLAS实验超快探测器的项目经理，这也是中国组首次在LHC实验担任子探测器项目经理。梁志均担任该项目探测器模块组的召集人，赵梅该项目传感器组的召集人，张杰担任外围电子学组召集人，樊磊担任高压系统组召集人。 除了高能所外，中国ATLAS组的其他成员单位中国科学技术大学、南京大学、山东大学、上海交通大学等单位都积极参与HGTD探测器的研发。中国ATLAS组在该项目中并扮演越来越重要的角色。

“除了在粒子物理的应用，高时间分辨率硅传感器的技术在其他领域应用前景也是非常光明的，其中包括在粒子天体物理研究，医学辐射成像的应用（如质子治癌中质子CT肿瘤成像等应用）。其中，使用该技术的轻便型质子CT肿瘤成像的样机已经在美国研制成功，未来有望在质子治癌的应用中发挥重要作用。”梁志均说。

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