像素（Pixel）探测器是由许多小面积片状电极形成的二维读出探测器,通常指以半导体材料（硅、锗等及化合物半导体）为探测介质的电离辐射探测器。而硅探测器是发展最成熟、最通用的半导体探测器。借助于大规模集成电路技术,半导体探测器特别是硅探测器得以迅速发展,除了以其优异的位置分辨能力可以作为带电粒子径迹探测器和光子成像探测器外,还因其能量分辨好而大量应用于X射线、 射线谱学等研究中。以硅微条、硅像素（包括CCD）为代表的硅探测器首先应用于高能物理实验,并扩展至天体物理、材料和生物医学成像,以及工业、安全等领域。鉴于未来高能物理实验的目标驱动,高分辨、快读出、耐辐照是目前像素探测器和硅探测器的主要发展方向,所采用的研究方法包括新的工艺和新的探测器结构等。

近10年国际上在像素探测器和硅探测器领域的主要热点研究问题是针对未来高能物理实验的,如大型强子对撞机（LHC）升级、作为希格斯工厂的正负电子对撞机等所需的高分辨、高计数率、抗辐照技术。此外,由LHC实验发展而来的大尺寸硅像素探测器在同步辐射X射线成像实验中也得到了重要的应用和推广。像素探测器主要分为混合型和单片型两种。随着LHC实验的推动,混合型硅像素探测器发展最为成熟,其优势表现为极好的抗辐照能力和计数能力,也是LHC升级像素探测器的技术选择。单片型的优势是空间分辨高,传感器和电路集成为芯片一体,因而物质量小,适合正负电子对撞机上实验进行的精密测量。

（1）强子对撞机实验像素探测器

升级后的LHC实验要求像素探测器具有极高的计数率能力（Counting rate>10⁸ Hz/cm²）和抗辐照能力（总电离剂量TID>500 MRad,非电离能损NIEL>10¹⁶ neq/cm²）,达到这些指标是前所未有的挑战。为此,欧洲核子研究中心（CERN）牵头成立RD50合作组,推动传感器及读出电子学芯片的研发。以LHC上ATLAS实验为例,升级后的像素探测器面积约10 m²,整个硅径迹探测器达200 m²,除了探测性能外,功耗也是一个至关重要的限制因素。除了传统的平面型硅像素传感器外,近年发展起来的三维（3D）结构传感器由于电极距离近,展示了更好的时间性能和抗辐照性能,并已开始用于ATLAS第一期升级最内层顶点探测器。金刚石像素探测器是另一个受到关注的技术,其抗辐照能力最为优异,是内层探测器尤其是辐照本底最强的前向位置探测器优先考虑的技术,但是存在成品率低、价格高的问题。与探测器相关的读出电子学芯片（ASIC）,其抗辐照能力、低功耗性质也是近10年的主要研究课题,目前主要集中在利用65 nm CMOS工艺进行研发。

（2）混合型硅像素探测器的其他应用

除了高能物理实验,近10年来混合型硅像素探测器在其他领域也取得重要应用。瑞士PSI研究所借助CMS实验像素探测器技术研发的计数型X射线成像探测器PILATUS,成为国际上首个商业化产品,其系列产品广泛用于各个同步辐射光源实验室。新一代产品（EIGER等）的研究方向主要是具有更小的像素、更快的读出速度、以及更大的动态范围等,并且可以满足X射线自由电子激光实验的需求。CERN借助LHC发展了MEDIPIX和TIMEPIX两种典型的通用读出ASIC,在核物理、X射线和中子成像、空间物理等方面开始应用。

（3）单片型像素探测器

单片型像素探测器主要目标是正负电子对撞机实验,相对于混合型,它具有更好的空间分辨,且价格便宜。但缺点是抗辐照能力较差,读出速度慢。代表性的有耗尽型场效应管（DEPFET）像素探测器、CMOS像素探测器（CPS）和绝缘层上硅（SOI）像素探测器等。经过近20年的研发,单片型像素探测器已开始用于粒子物理实验,如CPS用于相对论重离子对撞机（RHIC）实验,并将作为LHC上ALICE实验升级技术,DEPFET作为超级B工厂实验BELLEⅡ顶点探测器即将运行。随着CPS工艺和设计的改进,抗辐照能力不断提高,有可能替代传统的硅微条技术作为大面积径迹探测器系统,提高性能并降低价格。SOI作为全耗尽单片型像素探测器,在X射线成像方面具有独特的潜在优势,有逐渐取代传统CCD的趋势。针对国际直线对撞机（ILC）和环形正负电子对撞机（CEPC）所开展的预研,是此类探测技术研发的主要力量。

（4）3D集成技术（TSV）

TSV也是像素探测器发展的一个重要方向,该技术可以有效减小像素尺寸及噪声。尽管TSV在集成电路中已经实现商业化,但作为探测器,仍然面临研发成本高的问题。

半导体像素探测器和硅探测器的发展依赖于大规模集成电路技术,对技术和成本要求高,是造成此类研究在国内起步晚、并处于跟踪水平的主要原因。近年来随着需求和国家投入的增加,已有多个研究单位在高能物理、核物理、天体物理以及其他应用领域对此开展了研究。研究范围包括硅微条、硅像素和碲锌镉像素探测器,以及相关的专用读出芯片（ASIC）等,在有些方向上自主研发能力有所提高,但总体发展水平依然明显落后于欧洲、美国和日本等发达国家和地区。从近几年发表的SCI论文和引文统计数据也能体现出这一点（见表1）。中国在像素探测器和硅探测器领域发表的SCI论文数量最近几年增长较快,排名由2009–2011年的世界第17位上升到2012–2014年的世界第10位,引文数量排名也由2009–2011年的世界第18位上升到2012–2014年的世界第12位。尽管排名有逐年上升趋势,但总体发展水平依然相对落后。我国与先进国家的差距主要表现在：一是缺乏像LHC这样的重大项目引导,目标分散,不能达到一定规模,从而对半导体工业界形成足够的吸引力;二是研究队伍体量小,研究基础缺乏积累,不能提出重要的新思想。国内主要的实验装置上均未采用此类探测器,就是目前状况的集中体现。

近年来,国内研究单位在高能物理、核物理以及空间探测等应用领域开展并逐渐加强了像素探测器和硅探测器研究,取得了一定的成果。所研发的探测器种类包括硅和碲锌镉像素探测器、硅微条探测器、硅漂移探测器、硅PIN器件及硅光电倍增（SiPM）器件等,并已成功将硅探测器应用于空间科学实验。面向国内外高能加速器上的粒子物理、核物理实验将是今后硅探测器应用的重要方面,例如兰州重离子加速器冷却储存环外靶终端谱仪、LHC实验升级等。特别是在LHC实验升级方面,国内高校、研究所将承担ALICE、ATLAS和CMS硅探测器系统的预研和建造,在队伍和实验室建设上取得较大进展。需要强调的是,积极参与国际合作,利用基础研究的机会从事前沿技术研究,对队伍建设、突破技术封锁可以起到关键作用,为国内研究项目奠定基础。随着关键技术上的突破,同步辐射光源预期将是国内研发的硅像素探测器的另一个主要应用场所。

总体上讲,国内对像素探测器和硅探测器的研究覆盖了从材料、单器件研制到大型实验系统集成的所有环节,尽管起步晚,但已经具有了一定的研究经验和工艺能力,并在不同程度上取得了进展。

半导体材料性能是制作探测器的基础,近年来我国在这方面取得一些重要研究成果。西北工业大学主持完成了“高能射线探测器用碲锌镉（CZT）晶体材料及制备技术”项目,开发出高性能的探测器级CZT晶体及高效率、低成本单晶制备技术和关键设备,打破了国外封锁。所生产的CZT晶体经国内外多家权威机构测定表明,晶体性能优异,达到国际先进水平。中国科学院上海微系统与信息技术研究所在高端硅基SOI材料研究中,突破了一系列关键技术,实现SOI材料国产化,填补了国内空白,研发出具有核心自主知识产权的SOI材料,掌握了SOI材料抗辐照加固技术。随后,又自主开发了大尺寸晶片键合平台,制备出我国第一片20.32 cm键合SOI晶片,实现了SOI晶片制备技术的重要突破。其控股公司是国内唯一一家高端硅基SOI材料的高科技企业,形成具有国际先进水平的国家级高端硅基材料基地。这些材料研究的突破,为自主研发探测器奠定了一定的基础,但后续工作尚有较长的路要走。

中国科学院高能物理研究所和微电子研究所在高能光源预研项目的支持下,研制计数型硅像素X射线成像探测器,在平面型像素传感器、ASIC读出芯片、以及倒装焊连接等关键技术上取得重要突破,并且都是基于国内工艺实现的。所研发的原型探测器,像素尺寸为150 μm×150 μm,单芯片阵列像素数超过7 000,并可实现1 kHz的帧刷新率。这些指标达到了立项时国际上最好的探测器水平,为进一步提高性能并拓展应用奠定了基础。此项研究已多次在国际会议上报告,并发表在学术期刊上。利用现有的光源,进行特定的实验是下一步真正进入应用阶段的标志。

像素探测器和硅探测器具有其他探测技术无法比拟的性能优势,随着大规模集成电路成本的降低,无疑将有广泛的应用前景。从技术角度讲,此领域的发展是以大型科学项目作为驱动力,其中尤以高能加速器上粒子物理、核物理实验最具典型意义,这是为历史所证明的。

今后几年,最先进像素探测器和硅探测器的应用将会在LHC实验升级中得以集中展现。无论是传感器还是读出ASIC,其抗辐照能力和数据读出速度都代表了最前沿的研究水平。除了硅像素探测器外,金刚石像素探测器也将得以应用。在LHC长远发展规划中,还将进一步提高加速器能量,这为新技术研发和应用,比如3D集成像素探测器,提供了很好的发展前景。中国在LHC实验合作中,已经明确参与相关的工作,比如ATLAS和CMS的硅探测器研制,以及ALICE的像素探测器研制。这些合作不仅为LHC做出贡献,而且为未来的国内科学实验和其他应用提供了不可或缺的机会。

硅像素探测器在同步辐射实验和空间科学实验中将有重要的应用前景。随着同步辐射光源数量的增加和性能的提高,特别是硬X射线自由电子激光的出现,对高精度、快响应探测技术提出了大量需求。传统的CCD技术已经不能满足这种需求,而具有时间分辨、能量分辨的大面积像素探测器成为主要发展方向。在国内,通过高能先进光源预研,混合型硅像素探测器将应用于X射线成像实验,并将进一步提高性能,应用于未来各类光源;另一个可能应用的技术是SOI单片型像素探测器,具有更好的空间分辨,技术接近成熟。硅像素、硅微条、以及硅漂移器件等探测器已经在空间科学卫星、空间站的探测器中得到大量应用,新的空间科学研究,尤其是快速发展的中国空间科学研究,不仅对这类探测器数量的需求增加,更要求具有高分辨、低功耗的性能,以及良好的抗辐照能力。

单片型像素探测器及新型像素化硅微条探测器的应用前景与未来正负电子对撞机的实施密切相关。无论是直线还是环形正负电子对撞机实验,对顶点探测器及硅径迹探测器的指标要求都非常相似,并且与LHC实验一样,将是大面积的需求。ILC实验的预研已开展近20年,有力地推动了CMOS像素探测器的应用,特别是ALICE内径迹系统升级已经开始,在空间分辨、功耗及低物质量等方面达到前所未有的性能。在重离子加速器上的高能核物理实验也将采用通过ILC预研发展起来的CMOS像素探测器技术。CEPC预研的开展,将有力地促进国内研究机构在单片型像素探测器领域的水平提高,如果在抗辐照、低功耗方面取得突破,不仅对高能物理实验有益,在空间科学实验上也将有很好的应用前景。

总而言之,无论是像素探测器还是硅探测器,可以预期在未来几年将会得到更快的发展,并进一步拓宽应用领域,此类技术对我国尤其重要。