Autoreferat - Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i

Autoreferat - Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i

Załącznik nr 1
Kraków, dn. 07 czerwca 2013
dr inż. Grzegorz Deptuch
Akademia Górniczo-Hutnicza im. S. Staszica w Krakowie
Wydział Elektrotechniki, Automatyki,
Informatyki i Inżynierii Biomedycznej
Katedra Metrologii i Elektroniki
al. Mickiewicza 30
30-059 Kraków
tel. 12 617 32 99
faks 12 633 85 65
e-mail: [email protected]
AUTOREFERAT
Wykształcenie, uzyskane stopnie i tytuły naukowe:
1991–1996
1996
1999–2002
2002
Akademia Górniczo Hutnicza - AGH, Kraków, Polska
mgr inż. elektroniki, specjalność: aparatura elektroniczna,
Studia magisterskie na wydziale Elektrotechniki, Automatyki,
Informatyki i Elektroniki (EAIiE), AGH w Krakowie
Praca magisterska: „Radio-wave Propagation in Ionosphere – Simulation” – zrealizowana
w ramach projektu programu „TEMPUS” JEP-07589/94 obejmującego pięciomiesięczny staż
studencki w ramach wymiany pomiędzy Institut National des Télécommunications (INT), Evry,
Francja a Katedrą Elektroniki AGH w Krakowie. Stopień magistra inżyniera elektroniki
w specjalności aparatura elektroniczna otrzymany z wyróżnieniem w październiku 1996 r.
studia doktoranckie: Université Strasbourg I (Université Louis Pasteur ULP),
Strasburg, Francja
oraz
asystent: Akademia Górniczo- Hutnicza - AGH, Kraków, Polska
stopień doktora nauk technicznych (Ph.D. Degree),
AGH / IReS UMR 7500, LEPSI EA 3425
specjalność Elektronika / Fizyka-Elektronika
Praca doktorska: „ Développement d’un capteur de nouvelle génération et son électronique intégrée
pour les collisionneurs futurs ” (New generation of Monolithic Active Pixel Sensors for Charged Particle
Detection – przewód doktorski: „Zastosowanie nowej generacji sensorów typu aktywne piksele
zintegrowanych z układem elektroniki odczytowej do detekcji cząstek jonizujących”) – zrealizowana
w ramach umowy pomiędzy Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie i Université Strasbourg I ULP (thèse
en cotutelle); stypendium Rządu Francuskiego (Boursier de Gouvernement Français BGF). Stopień doktora
nauk technicznych z dziedziny Elektronika i specjalności Aparatura Elektroniczna uzyskany z wyróżnieniem
na AGH oraz jednocześnie otrzymany stopień doktora z dziedziny fizyka - elektronika uzyskany na ULP we
wrześniu 2002 r.
Praca doktorska otrzymała w 2003 r. nagrodę ADRERUS za najlepszą pracę doktorska obronioną w 2002 r.
przyznaną przez Association pour le Développement des Relations entre l’Economie et la Recherche
auprès des Universités de Strasbourg et de Haute-Alsace, Strasburg, Francja
Strona 1 / 17
Doświadczenie zawodowe:
Październik 1996– Listopad 2002
Listopad 2002 – Grudzień 2007
Akademia Górniczo Hutnicza - AGH, Kraków, Polska
Katedra Elektroniki – stanowisko: asystent,
Akademia Górniczo Hutnicza - AGH, Kraków, Polska
Katedra Elektroniki – stanowisko: adiunkt
Czerwiec 2002 – Grudzień 2004
Laboratoire d’Electronique et de Physique des Systèmes
Instrumentaux (LEPSI/ULP/IN2P3), Strasburg, Francja
stanowisko - Post Doctoral Researcher, Silicon Ultra
FastCameras for Electron and Gamma Sources in Medical
Applications (SUCIMA) E.C. Contract N. G1RD-CT-2001-00561
Luty 2005 – Lipiec 2007
Brookhaven National Laboratory (BNL), Upton, NY, USA
Instrumentation Division – stanowisko: członek personelu
naukowego, fizyk (assistant physicist)
Lipiec 2007 – obecnie
Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab), Batavia, IL,
USA Particle Physics Division, Electrical Engineering
Department (PPD/EED), Application Specific Integrated
Circuits (ASIC) Development Group
stanowisko:
Lipiec 2011 – obecnie: Engineer IV (Senior Principal),
Kierownik Grupy Mikroelektronicznej
Marzec 2010 – Lipiec 2011: Engineer IV (Senior Principal),
Zastępca Kierownika Grupy Mikroelektronicznej
Październik 2008 – Marzec 2010: Engineer IV (Senior),
Asystent Kierownika Grupy Mikroelektronicznej
Marzec 2008 – Październik 2008: Engineer III,
Asystent Kierownika Grupy Mikroelektronicznej
Lipiec 2007 – Marzec 2008: Engineer III,
Projektant układów ASIC
Marzec 2012– obecnie
Akademia Górniczo Hutnicza - AGH, Kraków, Polska
Katedra Metrologii i Elektroniki – stanowisko: adiunkt
naukowy 1/2 etatu.
Kontrakty czasowe:
Luty 2011
High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
Advanced Instrumentation Laboratory, Tsukuba, Japonia:
jednomiesięczny pobyt jako short-term visiting scientist
Sierpień 2006 – Grudzień 2006
Fermilab, PPD/EED, Batavia, IL, USA: pięciomiesięczny pobyt jako visiting
engineer-scientist
Sierpień 2004
BNL, Instrumentation Division, Upton, NY, USA: jednomiesięczny pobyt
jako foreign visitor researcher
1997-1998
LEPSI (LEPSI/ULP/IN2P3), IReS (IReS/ULP/IN2P3), Strasbourg, Francja:
wielokrotnie krótkoterminowe pobyty jako foreign visitor researcher
Luty 1996 – Czerwiec 1996
Institut National des Télécommunications, Evry, Francja Stypendysta
w Departamencie Elektroniki i Fizyki
Strona 2 / 17
1. Dorobek naukowy przedstawiony do oceny:
Monografia habilitacyjna
pt. „Monolityczne detektory pikselowe w zastosowaniu do obrazowania
niskoenergetycznych elektronów i miękkiego promieniowania X”,
Wydawnictwa AGH, Kraków, 2013.
Strona 3 / 17
2. Opis dorobku naukowego i osiągnięć naukowych wraz z informacją o pracy dydaktycznej:
Numery referencji użyte w poniższym tekście odnoszą się do publikacji z wykazu
opublikowanych prac i dorobku naukowego; referencje z listy publikacji w czasopismach poprzedzone
są skrótem „czas_” a referencje z listy publikacji w materiałach konferencyjnych poprzedzone są
skrótem „konf”.
Prace badawcze związane z projektowaniem układów scalonych rozpocząłem po zakończeniu
studiów magisterskich na kierunku Elektronika na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki
i Elektroniki Akademii Górniczo-Hutniczo w Krakowie w 1996 roku i po objęciu stanowiska asystenta
w Katedrze Elektroniki na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki Akademii
Górniczo-Hutniczo w Krakowie. Był to etat naukowo-dydaktyczny, a pierwsze moje prace naukowe
dotyczyły niskoszumnych i o niskim poborze mocy analogowych i mieszanych analogowo-cyfrowych
układów scalonych w aplikacjach do detekcji promieniowania jonizującego. Uczestniczyłem
w projektach wielokanałowych układów front-end ALICE128C, APVD i HAL25 [czas 8, 9, konf 2, 3, 6, 7,
8, 9, 10, 11, 21] przeznaczonych dla potrzeb eksperymentów ALICE i CMS na zderzaczu LHC (ang.
Large Hadron Collider) budowanym w Europejskim Centrum Badań Jądrowych (CERN). Wymienione
układy powstały głównie w wyniku mojej współpracy z grupą mikroelektroniczną z Laboratoire
d’Electronique et de Physique des Systèmes Instrumentaux (LEPSI/ULP/IN2P3), Strasburg, Francja.
Układy ALICE128C i HAL25 służą obecnie nie tylko w eksperymencie ALICE na LHC, ale również
w STAR na zderzaczu RHIC w BNL. Układy zawierały każdy po 128 kanałów analogowego
przetwarzania sygnałów z detektora krzemowego i były wykonane w technologiach AMS CMOS
1.2 μm, DMILL CMOS SOI 0.8 μm i IBM CMOS 0.25 μm. W układach tych projektowałem następujące
bloki układowe: filtr kształtujący o zmiennym czasie kształtowania impulsu dla optymalizacji stosunku
sygnału do szumu, przedwzmaniacz ładunkowy z kompensacją prądu upływu detektora, szybki bufor
wyjściowy pracujący w trybie prądowym. W tym czasie moje zainteresowania naukowe skupiły się na
następujących zagadnieniach: systemy analogowego i cyfrowego przetwarzania sygnałów, filtry
o działaniu ciągłym, budowa systemów detekcyjnych dla eksperymentów fizyki, obrazowanie
i komputerowo sterowane układy pomiarowe, standardy i protokoły transmisji danych. Swoje
zainteresowania pogłębiałem, angażując się w pracę w pierwszym grancie. Był to grant Polskiego
Komitetu Badań Naukowych KBN Nr. 8T11 B 021 12, którego tematem były badania nad filtrami
o działaniu ciągłym, które są możliwe do realizacji w technice CMOS i BiCMOS. Zakres mojej pracy
w tym grancie obejmował analizę i projektowanie aktywnych filtrów w technice scalonej, wykonanie
analiz symulacyjnych i projektów aktywnych filtrów o działaniu ciągłym w technice gm-C oraz ich
testy. Zaprojektowałem i scharakteryzowałem eliptyczny filtr dolnoprzepustowy w technice gm-C
w technologii CMOS 1.2 μm i 0.8 μm oraz uczestniczyłem w pozostałych pracach grupy [czas 3, konf
4, 5, 12, 13, 14].
Strona 4 / 17
W 1999 roku uzyskałem prestiżowe stypendium Rządu Francuskiego (Boursier de
Gouvernement Français BGF) na studia doktoranckie, które na podstawie umowy pomiędzy
Akademią Górniczo-Hutniczą w Krakowie i Université Strasbourg I ULP pozwoliły mi najpierw na
przeprowadzenie koniecznych badań naukowych, a następnie uzyskanie stopnia doktora nauk
technicznych, przyznanego na mocy tego porozumienia przez obydwie uczelnie. Był to schemat tak
zwanego przewodu doktorskiego thèse en cotutelle. Temat mojej pracy doktorskiej był
Développement d’un capteur de nouvelle génération et son électronique intégrée pour les
collisionneurs futurs” (New generation of Monolithic Active Pixel Sensors for Charged Particle
Detection for future colliders– „Zastosowanie nowej generacji sensorów typu aktywne piksele
zintegrowanych
z
układem
elektroniki
odczytowej
do
detekcji
cząstek
jonizujących”)
[http://tel.ccsd.cnrs.fr/docs/00/04/91/25/PDF/these_deptuch.pdf].
Stopień doktora nauk technicznych z dziedziny Elektronika i w specjalności Aparatura
Elektroniczna uzyskałem z wyróżnieniem na AGH oraz jednocześnie otrzymałem stopień doktora
z dziedziny fizyka –elektronika na ULP we wrześniu 2002 r. Obroniona rozprawa doktorska była
pierwszą w świecie pracą traktującą o Monolitycznych Detektorach Pikselowych typu Aktywne
Piksele (ang. Monolithic Active Pixel Sensors - MAPS), dotyczącą zastosowania tego typu urządzeń w
aplikacjach do detekcji naładowanych cząstek. W mojej pracy przedstawiłem dokładną analizę
działania urządzeń na poziomie fizycznym oraz dokonałem demonstracji ich niezrównanych
parametrów dotyczących wydajności i jakości w zastosowaniu do detekcji cząstek promieniowania
w fizyce wysokich energii oraz w obrazowaniu przy użyciu promieniowania jonizującego z szerokimi
możliwościami aplikacyjnymi. Cel pracy został osiągnięty poprzez wykonanie eksperymentów
z użyciem prototypowych urządzeń detektorowych, które uzyskały nazwę MIMOSA (od ang.
Minimum Ionizing Particle MOS Active Pixel Sensor), zaprojektowanych przeze mnie i wykonanych
w komercyjnie dostępnych procesach fabrykacji układów scalonych. Te pionierskie badania nad
układami MAPS, które również nazywane są w literaturze CMOS sensors, wyznaczyły odniesienie dla
wielu projektów na świecie, które były później prowadzone. Fakt ten znajduje odzwierciedlenie
w wielu cytowaniach opublikowanych przeze mnie artykułów i wygłoszonych komunikatów [czas 4, 6,
11, 14, 15 i inne, konf 16, 17, 19 i inne]. Wielkości matryc pikselowych wynosiły od 64×64 pikseli,
w przypadku pierwszych układów o małych rozmiarach, do matryc jedno-megapikselowych,
w przypadku układów o dużych rozmiarach. Wersje układów MIMOSA były wykonane w różnych
technologiach, spośród których można wymienić: AMS CMOS 0.6 μm i 0.35 μm, IBM CMOS 0.25 μm,
AMIS CMOS 0.5 μm i TSMC CMOS 0.25 μm. Detektory MAPS są przykładem struktur tzw. systemów
na układzie scalonym (system-on-chip). Urządzenie pełni rolę nie tylko klasycznego układu scalonego
przetwarzającego sygnały, ale również jest czujnikiem. Projekt układu MAPS jest realizowany
Strona 5 / 17
w technice full custom, co oznacza, że aby uzyskać działające urządzenia należało zaprojektować
wszystkie jego bloki składowe: cyfrowe i analogowe. Na przykład, aby móc odczytać sygnał z pikseli
należało najpierw zaprojektować wzmacniacze operacyjne o żądanych charakterystykach lub układ
szeregowej komunikacji do zaprogramowania np. trybu pracy. Prace te wymagały ode mnie dużej
wszechstronności.
W prowadzonej pracy w ramach doktoratu, szczególnie interesująca była dla mnie możliwość
przeprowadzenia dogłębnych badań zaprojektowanych struktur w różnych warunkach. Były to testy
począwszy od typowych testów laboratoryjnych dla sprawdzenia funkcjonowania zaprojektowanych
układów, poprzez testy wykonane przy użyciu źródeł radioaktywnych, stymulacji laserem, ale również
testy na wiązce wysokoenergetycznych cząstek z akceleratora w CERNie, po badania w środowisku
silnego pola magnetycznego i po absorpcji silnych dawek promieniowania jonizującego jak również
strumieni cząstek neutronów [czas 5, 10, 13, 16]. Badania prowadzone w ten sposób, były szczególnie
ważne, gdyż skutkowały zrozumieniem obserwowanych zjawisk i poznaniem zarówno silnych stron
rozwijanej technologii detektorowej, jak również jej ograniczeń. Dzięki takiemu podejściu mogłem
wykorzystywać uzyskaną wiedzę do wprowadzania odpowiednich zmian w kolejnych projektach
i lepiej rozumieć potrzeby wynikające z użycia elementów detektorowych w konkretnych ramach
środowisk planowanych aplikacji. Moje pionierskie badania nad detektorami monolitycznymi
wytyczyły nową ścieżkę rozwoju detektorów pikselowych w fizyce wysokich energii. Głównym celem
podejmowanych prac była budowa detektora wierzchołka dla planowanego eksperymentu na
przewidzianym do budowy w przyszłości zderzaczu na akceleratorze liniowym ILC (International
Linear Collider) oraz dla innych przyszłych eksperymentów w fizyce wysokich energii. Detektory
monolityczne nie wymagają zastosowania osobnego procesu na łączenie detektora z układem
odczytowym, lecz gotowa, w pełni funkcjonalna struktura może powstać na jednej linii
technologicznej. W wyniku tych wczesnych prac została wykazana przydatność detektorów MAPS do
śledzenia torów cząstek z bliską stuprocentowej wydajnością i bardzo wysoką rozdzielczością
przestrzenną. Precyzja wyznaczania punktu przelotu cząstki przez płaszczyznę detektora, jaką
otrzymano wtedy w testach na wiązce wysokoenergetycznych cząstek, zbliżyła się do pojedynczego
mikrometra.
Ze względu na stypendium oraz z uwagi na dostępne zaplecze i zgromadzone doświadczenie
badania nad detektorami MAPS mogłem wykonywać w dominującym zakresie w ramach pobytów
w laboratorium LEPSI we Francji. Równocześnie z pracą naukową, prowadziłem zajęcia dydaktyczne
w Katedrze Elektroniki AGH z przedmiotów takich, jak: układy elektroniczne, symulacja
i modelowanie układów elektronicznych, układy i aparatura radiowo-telewizyjna, projektowanie
układów scalonych, sieci komputerowe i telekomunikacyjne oraz komputerowe systemy kontrolno-
Strona 6 / 17
pomiarowe.
Po uzyskaniu stopnia doktora nauk technicznych w 2002 r. zdecydowałem się na podjęcie
pracy na rzecz projektu, którego finansowanie zostało uzyskane w ramach Piątego Programu
Ramowego Unii Europejskiej. Projekt nosił tytuł “Silicon Ultra-Fast Cameras for Electron and Gamma
Sources in Medical Applications (SUCIMA) E.C. Contract N. G1RD-CT-2001-00561” [czas 12, 17].
Badania wytyczone przez cele naukowe tego projektu prowadziłem będąc zatrudnionym na
Uniwersytecie w Strasburgu we Francji na stanowisku post doctoral researcher i prowadząc prace
badawcze
w
Laboratoire
d’Electronique
et
de
Physique
des
Systèmes
Instrumentaux
(LEPSI/ULP/IN2P3). Była to praca, w której pełniłem przewodnią i decydującą rolę w zakresie
projektowania układów scalonych, symulacji systemu detektora na poziomie fizyki działania urządzeń
półprzewodnikowych, testowania i charakteryzacji oraz analizy danych testowych.
Moja praca w programie SUCIMA ukierunkowana była na rozwój technologii MAPS dla
detekcji
promieniowania
jonizującego
w
obrazowaniu
medycznym,
terapii
przy
użyciu
promieniowania jonizującego i na potrzeby biologii. Jednakże wykorzystując dostępne możliwości,
w czasie pracy dla projektu SUCIMA zaangażowany byłem również w badania mające na celu
udoskonalenie elementu detektora MAPS, który jest odpowiedzialny za zbieranie ładunku
uwolnionego w procesie oddziaływania promieniowania z materiałem detektora i konwersję sygnału
ładunkowego na mierzalny sygnał napięciowy i prądowy. Zaproponowałem układ tzw. samopolaryzującej się diody zbierającej ładunek [czas 14, 19], który nie wymaga użycia tranzystora
resetującego, wprowadziłem element nazwany photoFET [czas 20, konf 23, 24, 34], w którym
zebrany ładunek skutkuje sygnałem prądowym wynikającym z modulacji prądu tranzystora przez
zmianę potencjału studni mieszczącej ten tranzystor, zaangażowany byłem w prace mające na celu
sprawdzenie przydatności nieepitaksjalnego podłoża o podwyższonej rezystywności dla budowy
detektorów MAPS do detekcji relatywistycznych cząstek jonizujących [czas 18, 26] oraz
zaproponowałem pierwszą wersję architektury piksela pozwalającą na sprzętowa implementacją
filtrowania z podwójnym próbkowaniem (Correlated Double Sampling) [czas 14, 19], które później
zostały dalej rozwinięte i zastosowane do budowy nowych układów detektorów MAPS [czas 23, 27,
36]. W tym czasie zaproponowałem pierwsze układy wzmacniacza zbudowanego jedynie przy
wykorzystaniu tranzystorów NMOS (obostrzenie klasycznej technologii detektorów MAPS)
pozwalające na wzmocnienie sygnału napięciowego w węźle konwersji ładunku na napięcie dla
optymalizacji stosunku sygnału do szumu [czas 14, 19, 23, 27, 31, 32]. Uczestniczyłem również
w badaniach odporności radiacyjnej detektorów MAPS proponując również rozwiązania mogące tę
odporność poprawić [czas 25, 30]. Do tego celu przygotowałem program analizy danych, który był
napisany w środowisku Mathematica, pozwalający na analizę zmian parametrów detektora w funkcji
Strona 7 / 17
przyjętej dawni promieniowania jonizującego lub strumienia cząstek, np. neutronów. Program
(w trakcie prac odpowiednio rozbudowany) był używany przez zespół z LEPSI i z IReS (Institut des
Recherches Subatomiques) ze Strasbourga (obecnie obydwie instytucje tworzą jedną jednostkę
o nazwie Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien w Strasburgu) do prowadzenia prac badawczych nad
odpornością detektorów MAPS na promieniowanie [konf 22, 25, 39].
Badania wytyczone przez cele naukowe projektu SUCIMA prowadzone były w instytucjach
naukowych z Włoch, Francji, Niemiec i z Polski i obejmowały dwa zakresy tematyczne: pierwszym
była budowa dozymetru dla brachyterapii, a drugim budowa systemu do ciągłego monitorowania
wiązki hadronowej używanej do naświetlania zmian nowotworowych usytuowanych w częściach
organizmu, w których inne metody naświetlania, np. promieniowaniem X nie są możliwe.
Monitorowanie wiązki odbywało się z wykorzystaniem elektronów emisji wtórnej z foli aluminiowej,
przez którą przechodzi wiązka hadronowa. Emitowane elektrony w wyniku przyspieszania
i zogniskowania w polu elektrycznym, po skierowaniu na płaszczyznę detektora odzwierciedlają
zrzutowany profil intensywności wiązki pierwotnej używanej do naświetlań tkanek w hadronowej
terapii
nowotworów.
Konstrukcja
urządzenia
monitorującego,
nazywanego
SLIM,
była
uwarunkowana wykazaniem technologicznych możliwości budowy detektora MAPS zdolnego do
bezpośredniej detekcji niskoenergetycznych elektronów, co mogło być osiągnięte przez detektor
jednorodnie ścieniony do zaledwie warstwy epitaksjalnej i ekspozycję od strony ścienionej. Dlatego
dla realizacji celów postawionych przed programem SUCIMA, konieczne było zaprojektowanie
specjalnego układu detektora MAPS.
Do osiągnięcia celu programu SUCIMA zaprojektowałem układ MIMOTERA i wspólnie
z partnerem przemysłowym (grupa zajmująca się układami CCD z firmy ATMEL w Grenoble), z którym
zainicjowałem kontakt, doprowadziłem do budowy pierwszych na świecie ścienionych układów MAPS
zdolnych do bezpośredniej detekcji niskoenergetycznych elektronów. Praca dla uzyskania detektora
MIMOTERA przydatnego dla programu SUCIMA przeprowadzona była w dwóch etapach.
W pierwszym etapie po nawiązaniu odpowiednich kontaktów z partnerem przemysłowym, którym
była grupa pracująca nad elementami CCD z korporacji ATMEL, doprowadziłem we współpracy z tym
partnerem i do realizacji pierwszego bardzo agresywnie ścienionego układu MAPS [czas 22]. W pracy
tej został wykorzystany istniejący detektor MIMOSA V jako platforma testowa dla procesu ścieniania.
W drugim etapie, zaprojektowałem układ MIMOTERA posiadając już eksperymentalne dowody
poprawnej i stabilnej pracy ścienionego układu MIMOSA V [czas 21, 22, 24].
Układ MIMOTERA został tak zaprojektowany, aby zapewniać odczyt ciągły z zupełnie
wyeliminowanym czasem martwym. Taki tryb pracy podyktowany był ściśle wymaganiami monitora
wiązki. Układ MIMOTERA był wykonany w technologii AMS CMOS 0.6 μm. Zakres testów, jakim
Strona 8 / 17
poddano układ MIMOTERA, był bardzo szeroki, co skutkowało wykazaniem osiągnięcia wszystkich
założeń projektowych i ogólnym potwierdzeniem poprawności wykonania projektu. Przydatność
układu MIMOTERA była sprawdzana również w zastosowaniach wychodzących poza zakres programu
SUCIMA. Do projektu układu MIMOTERA konieczne było wypracowanie struktur diod zbierających
ładunek, które dawałyby bardzo niskie prądy upływu i dodatkowo byłyby odporne na znaczące dawki
promieniowania jonizującego. Ten cel został również przeze mnie osiągnięty i nowe struktury diod
zbierających ładunek zostały zastosowane w projekcie układu MIMOTERA. Moje prace nad
ścienionym układem MIMOSA V, a w ich następstwie później udany projekt układu MIMOTERA,
doprowadziły do sukcesu realizacji projektu SUCIMA [czas 28, 30].
Wspomniane nawiązanie niezbędnych kontaktów z partnerem przemysłowym i bezpośrednie
zaangażowanie w budowę ścienionego detektora, zdolnego rejestrować dwuwymiarowe obrazy przy
wykorzystaniu niskoenergetycznych elektronów dla programu SUCIMA, zainspirowały mnie do
dalszego poszerzenia badań nad możliwościami aplikacji monolitycznych detektorów pikselowych.
W pierwszej kolejności ścieniony jednomegapikselowy układ MIMOSA V posłużył mi jako dogodna
platforma do eksperymentalnej weryfikacji przydatności detektorów MAPS do autoradiografii próbek
nasyconych trytem [czas 22, 24]. Ten rodzaj detekcji jest szczególnie trudny do uzyskania
z detektorami innymi niż ciekłe scyntylatory ze względu na niewielki zakres penetracji cząstek β−
emitowanych przez rozpadające się atomy trytu. Urządzenie MIMOSA V znalazło się wśród niewielu
detektorów, których konstrukcja bazuje na ciele stałym, które pozwalają na uzyskiwanie obrazów
o wysokiej rozdzielczości materiału nasyconego 3H - beta emiterem. Badanie ze źródłem trytu
przeprowadziłem w 2004 r.
Na przełomie lat 2004 i 2005 najpierw korzystając z miesięcznego pobytu w Brookhaven
National Laboratory (BNL) w Upton stanie Nowy Jork, a później już po podjęciu tam stałej pracy od
początku 2005 r. postanowiłem zastosować uprzednio ścieniony układ MIMOSA V do weryfikacji
możliwości wykorzystania technologii MAPS do bezpośredniego obrazowania przy użyciu
niskoenergetycznych elektronów w mikroskopii elektronowej. Testy przeprowadziłem w mikroskopie
skaningowym i transmisyjnym korzystając z dostępnej infrastruktury w BNL w departamentach:
Instrumentation Division, Material Science Department i Biology Department. Testy i pomiary
potwierdziły poczynione na wstępie założenia, dowodząc przydatności monolitycznego detektora
pikselowego jako nowego urządzenia do rejestracji obrazów w dynamicznej mikroskopii
elektronowej. Moje prace należą w tym względzie do pierwszych, które pokazały, że błonę
fotograficzną można zastąpić detektorami krzemowymi również w mikroskopii elektronowej [czas
37]. Okazało się, że podobnie jak w wysokiej jakości fotografii cyfrowej, również w mikroskopii
elektronowej możliwe są zmiany. Moja praca pokazała, że detektor pikselowy, bazujący na ciele
Strona 9 / 17
stałym, jest alternatywą dla błony fotograficznej do rejestrowania obrazów w mikroskopii
elektronowej i że na takie urządzenie jest duże zapotrzebowanie. Te badania stały się inspiracją dla
wielu innych grup oraz były podstawą dla uzyskania grantu fundowanego przez dyrektora
laboratorium na rozwój tzw, unidepleted detektorów MAPS dla mikroskopii elektronowej [czas 33],
w którym również pracowałem, projektując detektor MAPS nazwany MAPSUNI. W detektorze tym
zbieranie ładunku zachodzi pod wpływem pola elektrycznego wynikającego ze stałego przepływu
prądu nośników większościowych przez aktywną objętość detektora.
W kolejnym kroku postanowiłem wykazać przydatność monolitycznego detektora
pikselowego
do
bezpośredniego
obrazowania
z
wykorzystaniem
niskoenergetycznego
promieniowania X. W tym celu testowałem układ MIMOSA V również przy użyciu wiązki
promieniowania X w NSLS (National Synchrotron Light Source) w BNL. Używałem tego samego
detektora w wersji przed ścienieniem i po ścienieniu, co w testach przy użyciu mikroskopów
elektronowych, oraz korzystałem z dostępności wiązki promieniowania X z synchrotronu w BNL.
Pokazałem, że detektory MAPS mogą być postrzegane jako alternatywa w niektórych zadaniach
bezpośredniego obrazowania z użyciem promieniowania X, szczególnie tam, gdzie wymagana jest
wysoka rozdzielczość przestrzenna. Jednak zakres energii promieniowania X, w którym detektory
MAPS mogą być przydatne do obrazowania, jest ograniczony do maksymalnie około 10 keV. Ta
wartość energii wynika z grubości warstwy aktywnej, a co za tym idzie niewystarczającą absorpcję
fotonów [czas 35].
Innym projektem, nad którego realizacją pracowałem w BNL, był wielokanałowy układ
odczytowy front-end, wykonany w technologii TSMC CMOS 0.25 μm, do krzemowego detektora
padowego będącego częścią systemu nawigacji w przestrzeni kosmicznej. Ten system, alternatywny
do GPS, był projektem agencji DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Podstawą
projektu było założeniem o wykorzystanie pomiaru czasów, w których fotony promieniowania X,
emitowane z pulsarów, uderzają w detektor do synchronizowania zegarów na satelitach i innych
obiektach znajdujących się w przestrzeni kosmicznej. W ramach tego programu odpowiedzialny
byłem za projekt układu scalonego złożonego z 32 kanałów. Każdy kanał zawierał przedwzmacniacz
ładunkowy, filtr kształtujący i detektor szczytowy. Czas uderzenia fotonu był odczytywany podawany
przez detektor szczytowy. Układ zawierał analogowy odczyt amplitudy sygnału pochodzącego
z uderzenia fotonu i czasu zdarzenia.
W czasie pracy w BNL zaangażowany byłem również w inne projekty, spośród których jako
ważniejsze można wymienić:
1)
Projekt detektora pikselowego o poprawionej wydajności zbierania ładunku do detekcji
Strona 10 / 17
cząstek naładowanych - „Improved Design of Active Pixel CMOS Sensors for Charged Particle
Detection”. W projekcie tym byłem głównym wykonawcą ze strony BNL i projekt był
realizowany we współpracy z firmą CFD Research Corporation z Huntsville, AL, USA,
w ramach przyznanego grantu dla małych i średnich firm Small Business Innovative Research
(SBIR). Projekt ten dotyczył nowej struktury pikseli, tzw. photo-gate, w której boczne pole
elektryczne wywołane pod bramką prowadzi do lepszego zbierania ładunku uwalnianego
w procesie jonizacji. W ramach badań został zrealizowany prototyp w technologii TSMC
CMOS 0,25 μm, na którym wykazano pozytywny wpływ bocznego pola elektrycznego na
przyspieszenie zbierania ładunku.
2)
Projekt dyskryminatora aktywowanego sygnałem przeznaczonego do detekcji przejścia przez
zero sygnału z wyjścia bipolarnego filtru kształtującego dla systemu RatCAP [czas 40]. System
RatCAP jest miniaturowym skanerem PET przeznaczonym do otrzymywania trójwymiarowych
obrazów z mózgu szczura w czasie jego pełnej aktywności. System obrazujący jest
przyczepiony bezpośrednio do głowy zwierzęcia, a jego masa jest równoważona przez
odpowiedni układ mechaniczny dla zapewniania zwierzęciu swobody poruszania się. Projekt
układu ASIC został zrealizowany w procesie TSMC CMOS 0,18 μm. Celem projektu nowego
dyskryminatora było wyeliminowanie fałszywych wyzwoleń. Wykrycie przejścia przez zero
przez komparator, a co za tym idzie wykorzystanie tego momentu do rejestracji czasu zajścia
zdarzenia, uzależnione zostało od uprzednio zarejestrowanej obecności sygnału.
3)
Projekt prototypu monolitycznego detektora MAPS pracującego w trybie tzw. „unidepleted”.
Innowacyjnym pomysłem w tym detektorze jest wykorzystanie przepływu prądu
powodującego spadek napięcia w obszarze aktywnym detektora. Konfiguracja ta
charakteryzuje się usunięciem jednego tylko typu nośników, skąd bierze się nazwa
„unidepleted”. Równocześnie wytwarzane jest pole elektryczne ogniskujące przemieszczanie
się nośników uwolnionych w procesach interakcji promieniowania z materią w kierunku diod
zbierających ładunek. Układ ten był nazwany MAPSUNI. Posiadał on możliwość zliczania
zdarzeń pochodzących od uderzeń fotonów w detektor w każdym pikselu. Układ MAPSUNI
był wykonany w procesie TSMC CMOS 0,25 μm CMOS.
Od połowy 2007 r. pracuję w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Fermilab jest
amerykańskim laboratorium rządowym położonym w Batawii w stanie Illinois w USA. Podstawowym
zadaniem Fermilabu są badania z zakresu fizyki cząstek i fizyki wysokich energii. Jest to miejsce,
w którym do momentu przejęcia pierwszeństwa w 2010 r., w zakresie maksymalnej energii cząstek
doprowadzanych do zderzeń, przez Large Hadron Collider (LHC) działał największy na świecie
Strona 11 / 17
zderzacz protonów Tevatron. Korzystając z tej maszyny dokonano odkrycia kwarku górnego (top
quark) i na poziomie ufności trzech sigma wykazano istnienie bozonu Higgsa, które zostało później
potwierdzone przez LHC.
Początkowo pracowałem w Fermilabie jako członek grupy mikroelektronicznej, a obecnie od
połowy 2011 r. kieruję tą grupą. Posiadam kontrakt w pełnym wymiarze czasu na stanowisku
inżyniera-naukowca. Prowadzę prace badawcze nad detektorami i elektroniką odczytową na
potrzeby obecnych i przyszłych eksperymentów w dziedzinie fizyki wysokich energii, jak również
w obrazowaniu i detekcji promieniowania na potrzeby innych dziedzin naukowych. Koordynuję prace
zespołu złożonego z 10 osób, wliczając w to pięciu doświadczonych projektantów układów scalonych
oraz inżynierów hardwarowej i softwarowej infrastruktury testowej, inżynierów i techników
odpowiedzialnych
za
testowanie
(http://www-ppd.fnal.gov/EEDOffice-w/ASIC_Development
/asicmain.html). Obok grup w Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National
Laboratory i Sandia National Laboratory, grupa w Fermilabie tworzy największy zespół projektowania
układów ASIC w systemie amerykańskich Narodowych Laboratoriów (National Laboratories)
podlegających Departamentowi Energii (Department of Energy).
Jednym z bardziej odpowiedzialnych zadań organizacyjnych, jakie było moim udziałem
w Fermilabie,
było
koordynowanie
Międzynarodowego
Konsorcjum
Rozwoju
Układów
Zintegrowanych Trójwymiarowo (3D-IC Consortium 3dic.fnal.gov) skupiającego siedemnastu
członków z USA, Kanady, Francji, Włoch, Niemiec i Polski (CPPM Marseilles France, IPHC Strasbourg
France, LAL Orsay France, LPNHE Paris, France, IRFU CEA-Saclay France, CMP Grenoble France,
University of Bergamo Italy, University of Pavia Italy, University of Perugia Italy, Universite de
Sherbrooke Canada, INFN Bologna Italy, INFN Pisa Italy, INFN Rome Italy, University of Bonn
Germany, University of Science and Technology AGH Poland and Fermilab USA). Celem pracy dla
Konsorcjum było zorganizowanie we współpracy z partnerem przemysłowym Tezzaron
Semiconductors produkcji układów scalonych w trybie wieloprojektowej submisji na jednym waflu
Multi Project Wafer (MPW). W ramach tej inicjatywy zostały wyprodukowane pierwsze układy
zintegrowane trójwymiarowo w zastosowaniach do detekcji promieniowania w eksperymentach
fizyki wysokich energii, obrazowania przy wykorzystaniu promieniowanie X i innych. Ta praca
dotyczyła pełnej koordynacji związanej z organizacją produkcji MPW, kierownictwa w zakresie
projektów układów wysłanych do produkcji w jego ramach i konsolidacji wysiłków poprzez dzielenie
zasobów, doświadczeń i pomysłów w latach 2008-2013.
Moje zaangażowanie w prace związane produkcją układów zintegrowanych trójwymiarowo
nie było wyłącznie natury organizacyjnej, ale przede wszystkim wykorzystałem otwarte możliwości na
wprowadzenie nowych pomysłów na struktury detektorów pikselowych. Jednym ze zgłębianych
Strona 12 / 17
przeze mnie kierunków jest rozwój struktur detektorowych, które mogą być łączone w celu uzyskania
pokrycia dużych powierzchni bez obszarów martwych, i rozwój tzw. inteligentnych detektorów
pikselowych [czas 42, 44, 45, 48], w których, dzięki umieszczeniu przetwarzania sygnałów
bezpośrednio na detektorze (in-situ processing) i rozbudowanemu przepływowi danych pomiędzy
elementami detektora, ilość informacji wysyłana do systemu zbierania danych może być znacznie
ograniczona. Spośród trzech projektów układów zintegrowanych trójwymiarowo, nad którymi
pracuje Fermilab, tj. VIPIC: Vertically Integrated Photon Imaging Chip, VIP: Vertically Integrated Pixels
i VICTR: Vertically Integrated CMS Tracker Readout chip [czas 45, 48, 50], jestem odpowiedzialny za
kierowanie projektem VIPIC i uczestniczę w projektach dwóch pozostałych układów jako
współwykonawca.
VIPIC jest układem do odczytu sygnałów z detektora pikselowego na potrzeby doświadczeń
korzystających ze spektroskopii korelacji czasowych promieniowania X (X-ray Photon Correlation
Spectroscopy - XPCS) w National Synchrotron Light Source (NSLS) w BNL. Układ VIPIC1 został
zbudowany we współpracy pomiędzy Fermilab, AGH-UST i BNL. Urządzenie pozwala na rejestrację
czasu uderzeń fotonów promieniowania X z dokładnością sięgającą 10 μs i daje dwuwymiarową
informację o punkcie uderzenia fotonu. Zoptymalizowany odczyt pracuje bez czasu martwego
i zawiera mechanizm pomijania pikseli, które nie zarejestrowały sygnałów pochodzących od fotonów.
VIPIC jest układem prototypowym zawierającym matrycę 64×64 pikseli i został on wykonany
w technologii 3D Tezzaron bazującej na GF CMOS 0.13 μm. Źródłem powodzenia projektu VIPIC jest
sprzęgnięcie
uzupełniających
się
kompetencji
w
zakresie
technologii
detektorów
(BNL)
i mikroelektroniki (Fermilab). VIPIC jest przykładem pierwszego projektu zintegrowanego
trójwymiarowo
z
wielopoziomowym
przetwarzaniem
rozdzielonym
pomiędzy
warstwy.
Powodzeniem projektu układu VIPIC jest podział projektu układu pomiędzy grupy z Fermilab i AGHUST. Zainicjowana dzięki osobistym kontaktom współpraca pomiędzy obydwiema instytucjami jest
cenna dla realizacji projektu jak również dla kształcenia studentów [konf 29].
VIP jest układem odczytowym do detektora pikselowego o wysokiej ziarnistości do śledzenia
torów cząstek naładowanych na potrzeby detektora wierzchołka do zderzacza na mającym być
zbudowanym w przyszłości na akceleratorze liniowym. Pierwsza wersja układu była zaprojektowana
w oparciu o technologię opracowaną w Massachusetts Institute of Technology - Lincoln Laboratory
(MIT-LL), która wykorzystywała w pełni zubożony (Fully Depleted - FD) proces CMOS SOI o minimalnej
długości bramki 0.18 μm [czas 44]. Druga wersja układu była już zbudowana w ramach produkcji
wieloprojektowej organizowanego przez Fermilab we współpracy z Tezzaron przy wykorzystaniu
procesu GF CMOS 0.13 μm. Układy VIP były prototypami zawierającymi matryce o rozmiarach od
64×64 pikseli do 192×192 kwadratowych pikseli o długości boku od 20 do 40 μm. Część odczytowa
Strona 13 / 17
układu VIP została tak zaprojektowana, że pozwala na rejestrację uderzeń cząstek z dokładnością
większą niż 3 μm i odczyt z pominięciem pikseli, które nie rejestrowały sygnału.
VICTR jest układem odczytowym do detektorów paskowo-pikselowych z przeznaczeniem do
budowy nowego detektora śladowego dla eksperymentu CMS po zwiększeniu jasności (high
luminosity) na zderzaczu LHC, jaka jest planowana pod koniec bieżącej dekady. Układ VICTR jest
zaprojektowany do systemu odczytowego detektora śladowego, który będzie uczestniczyć będą
w wytworzeniu triggera pierwszego poziomu w eksperymencie CMS na podstawie analizy topologii
przypadków [czas 49]. Szczególne dla układu VICTR jest przetwarzanie sygnału, które ma za zdanie
wyszukiwać koincydencje przestrzenne pomiędzy śladami cząstek w dwóch oddzielonych od siebie
detektorach dla selekcji ścieżek. Celem takiego przetwarzania jest znajdywanie sygnałów
pochodzących od cząstek powyżej założonego progu pędu transwersalnego na postawie zakrzywienia
torów takich cząstek w silnym polu magnetycznym. Te dwa detektory, oddzielone od siebie przez
separator, którego grubość wynosi około 1 mm, wytwarzają sygnały ładunkowe przepływające do
układu VICTR. Dzięki zastosowaniu techniki trójwymiarowej integracji również do budowy całej
struktury, również dla połączenia detektorów do układu odczytowego, sygnały ładunkowe docierają
do układu odczytowego zarówno z detektora, do którego układ odczytowy jest bezpośrednio
przyłączony, jak również z detektora, który jest oddzielony od układu odczytowego separatorem.
Jedna strona układu VICTR przyjmuje sygnały z detektora, którego paski posiadają rozmiary
100 mm×1000mm a druga z detektora, którego paski są dłuższe i ich długość wynosi 5 mm.
Istotne miejsce w moich badaniach prowadzonych w Fermilabie zajmują monolityczne
detektory pikselowe realizowane w technologii Silicon–on–Insulator (SOI) [czas 41, 43, 51]. Praca nad
tymi detektorami został umotywowana przez pierwsze pozytywne wyniki oraz spostrzeżenia
dotyczące wydajności detekcji promieniowania X uzyskane ze standardowymi detektorami MAPS.
Badania nad nową rodziną układów monolitycznych wykorzystujących wysokorezystywne podłoże
rozpocząłem angażują się w prace kolaboracji SOIPIX [czas 41]. Kolaboracja ta uformowana jest
wokół japońskiego laboratorium KEK (High Energy Accelerator Research Organization) i początek jej
działalności przypada na rok 2006. Wynikiem prac badawczych jest rodzina układów MAMBO
(Monolithic Active pixel Matrix with Binary cOunters) [czas 43, konf 26, 28], które projektowałem
wraz z osobami z mojego zespołu i innymi współpracownikami. Badania nad pikselowymi
detektorami realizowanymi w technologii SOI prowadziłem od czasu bezpośrednio po rozpoczęciu
pracy w Fermilabie. Pierwszy układ MAMBO I powstał w 2006 r. Zdecydowaną motywacją do
rozpoczęcia prac nad ta klasą detektorów pikselowych, było skonkludowanie, badań nad klasycznymi
detektorami MAPS, gdzie mimo osiągnięcia bardzo zachęcających wyników, wykazałem również
niedoskonałości tej technologii w pewnych obszarach zastosowań. W technologii pikselowych
Strona 14 / 17
detektorów, realizowanych przy użyciu procesu SOI, nie istnieje ograniczenie na możliwość
stosowania tylko jednego typu tranzystorów, jak było to udziałem klasycznych detektorów MAPS.
W wyniku braku tych ograniczeń elektroniczne układy odczytowe mogą mieć taką samą
rozbudowaną funkcjonalność, jak detektory hybrydowe. Detektory pikselowe budowane
w technologii SOI są techniką o dużym potencjale, otwierającą nowe możliwości w zastosowaniach
do aplikacji takich, jak np. obrazowanie przy wykorzystaniu niskoenergetycznych elektronów
i promieniowania X promieniowania α itp. Ze względu na ich niewielką masę są też bardzo atrakcyjne
do stosowania w eksperymentach w fizyce wysokich energii lub w fizyce jądrowej.
Jednak w pierwotnie oferowanym procesie, którym posługiwała się kolaboracja SOIPIX,
istniał niezwykle dotkliwy problem interferencji pomiędzy częścią detektora a częścią zawierającą
elektroniczny układ odczytowy. W wyjściowej formie procesu obydwie części były od siebie
oddzielone jedynie przez cienką warstwę dielektryczną tlenku zagrzebanego BOX i brak było
jakiegokolwiek ekranowania. W wyniku szczegółowej analizy problemu, wliczając w to testy
zaprojektowanych urządzeń prototypowych, zaproponowałem zmiany do procesu technologicznego.
Modyfikacja procesu polegała na wprowadzeniu zagnieżdżonych studni BNW i BPW, które są
wykonywane w procesie wielostopniowej implantacji. Proces, obecnie oferowany przez OKI/LAPIS
Semiconductor Co, jest uzupełniony o te zmiany i jest dostępny ogółowi wspólnoty naukowej
pracującej nad rozwojem pikselowych detektorów realizowanych w technologii SOI. Udostępnienie
tego zmienionego procesu SOI jest istotnym krokiem w kierunku rozwoju nowej generacji
monolitycznych
detektorów
pikselowych.
Po
wprowadzonych
ulepszeniach
do
procesu
technologicznego pierwsze testy układu detektora pikselowego, w którym wykorzystałem
zaproponowane zagnieżdżone studnie BNW i BPW, wykazały skuteczność tego rozwiązania.
Oczywiście konieczne są dokładniejsze analizy i optymalizacja pod kątem zmniejszenia pojemności
pasożytniczej złącza BNW–BPW oraz zmniejszenia impedancji studni BNW na dalszych etapach
rozwoju tej technologii. Jednak ważnym osiągnięciem jest w pełni pomyślne wykazanie skutecznego
działania detektora wykonanego w technologii ze zmienioną recepturą. Prace zaowocowały
zgłoszeniem patentowym mojego autorstwa do USPTO (United States Patent and Trade Office).
Moje badania związane z rozwojem układów scalonych do obrazowania z wykorzystaniem
niskoenergetycznych
elektronów
i
miękkiego
promieniowania
X
zostały
przedstawione
i podsumowane w załączonej monografii. Planuję dalsze wielokierunkowe prace badawcze związane
z tą tematyką. Postęp technologiczny nie zatrzymuje się. Obecnie technologia integracji
trójwymiarowej (3D–IC) układów scalonych jest jedną ze ścieżek prowadzących przemysł do
uzyskania generacji układów scalonych o znacznie wyższej od obecnej wydajności, szczególnie
w odniesieniu do układów pamięci o dużych pojemnościach i systemów mikroprocesorowych.
Strona 15 / 17
W elektronice jądrowej technologie trójwymiarowej integracji pozwalają podążać w kierunku
zniesienia obecnie istniejących głównych przeszkód tkwiących w tradycyjnym korzystaniu
z dwuwymiarowych technologii planarnych. Do przeszkód tych należą następujące elementy:
trudność uzyskania pełniej separacji części analogowej i cyfrowej na układzie scalonym, niemożliwość
zwiększenia funkcjonalności piksela przy jednoczesnym dążeniu do zmniejszania jego rozmiarów
nawet przy korzystaniu z technologii o minimalnej długości bramki znacząco poniżej 100 nm,
niedogodność poprawnego zasilania pikseli znajdujących się w środku matrycy ze względu na spadki
napięcia na liniach zasilających, trudność w budowie detektorów o dużych rozmiarach ze względu na
konieczność zapewnienia obszarów na pola kontaktowe, czy też ograniczenie w uzyskaniu małych
pikseli ze względu na nieosiągalne obecnie gęstości połączeń między detektorem a scalonym
układem odczytowym przy zastosowaniu metody integracji hybrydowej. Należy, nie bez powodów,
przypuszczać, że zastosowanie technologii trójwymiarowej integracji będzie nabierało wzrastającego
znaczenia. W tym nowym kontekście detektory monolityczne będą funkcjonowały albo samodzielnie,
głównie ze względu na niskie koszty ich wytwarzania, albo jako jedna z warstw trójwymiarowo
zintegrowanych systemów. W tym drugim przypadku nie bez znaczenia będzie podtrzymanie zalety
zintegrowania pierwszych stopni przetwarzania sygnału bezpośrednio na detektorze jak najbliżej
źródła powstania sygnału. Jest to możliwe przy wykorzystaniu technik monolitycznych, a następnie
dołączenie dalszych stopni bardziej skomplikowanego przetwarzania, używając technik integracji 3D.
Tym kierunkom planuję poświęcić następne lata mojej pracy naukowej. Również dzięki bieżącej pracy
w Katedrze Metrologii i Elektroniki AGH oraz szerokim kontaktom z innymi ośrodkami naukowymi na
świecie jestem zainteresowany badaniami i opracowywaniem nowych rozwiązań układowych
w najnowszych technologiach półprzewodnikowych o długości bramki z zakresu 65 nm / 40 nm.
Jestem przekonany, że kierunkiem przyszłościowym dla detektorów pikselowych jest dalsze
zwiększanie stopnia przetwarzania sygnałów bezpośrednio na detektorze, które może zachodzić
równolegle w każdym pikselu oraz wprowadzanie korekcji takich, jak np. ograniczenie wpływu
podziału ładunku w detektorze na jakość obrazowania przy użyciu detektora [czas 48, konf 35, 36].
Pracując w Fermilabie część swojego czasu poświęcam również na opiekę nad studentami
i stażystami. Są to studenci programów master i programów doktorskich. W bieżącym roku sprawuję
opiekę nad studentem programu doktorskiego z Southern Methodist University, Dallas, TX 75205
USA na temat Lifetime Studies of 130nm nMOS Transistors Intended for Long-Duration, Cryogenic
High-Energy Physics Experiments (Analiza czasu życia tranzystorów NMOS z procesu o długości
bramki 130 nm dla przewidzianego zastosowania w eksperymentach fizyki wysokich energii
wymagających długotrwałej pracy w warunkach kriogenicznych) [czas 46]. W minionych latach
zapewniałem opiekę naukową dla studentów dziesięciotygodniowych staży letnich z następujących
Strona 16 / 17
przykładowych tematów: Silvaco Simulation Studies of Primary BPW and Nested Well Structures
(„Studia symulacyjne podstawowej struktury BPW i studni zagnieżdżonych wykonane w środowisku
Silvaco”) student z University of Texas at El Paso, El Paso, TX, USA; Developement of Tests
Environment and Tests of the Charge Integrator and Encoder (QIE 10) Chip Using General Purpose
Interface Bus (GPIB) Communication and the LabView Environment (Przygotowanie środowiska
testowego i testy układu QIE 10 używając protokołu GPIB i środowiska Labview”) student z University
of Minnesota, Minneapolis, MN, USA; Increasing Light Detection Efficiency of SiPMs Using TSVs
(„Zwiększenie wydajności detekcji światła urządzeń SiPM przy użyciu TSV”), student z Indian Institute
of Technology Delhi, New Delhi, India; LabVIEW Measurement Automation and Applications for
Semiconductor Detectors (Środowisko pomiarowe i jego zastosowanie do typowych pomiarów
właściwości detektorów półprzewodnikowych”), student z Miami University, Oxford, OH, USA.
Podsumowując, badania związane z projektowaniem wielokanałowych układów scalonych
we wszystkich wymienionych kierunkach (układów scalonych dla potrzeb eksperymentów fizyki
wysokich energii, układów dla obrazowania i układów do innych pomiarów, do których
wykorzystywane jest promieniowanie) są tematem ciągle aktualnym. Wiedza projektanta musi być
szeroka i wyzwania stawiane przed projektantem z jednej strony są interesujące, ale również
wymagają dużego nakładu pracy i niosą ze sobą znamiona ryzyka, które są typowe dla badań
o charakterze
aplikacyjnym.
Osiągnięcie
pożądanych
parametrów
układów
wiąże
się
z przeprowadzeniem złożonych analiz i wypracowaniem wielu kompromisów. Praktyczna realizacja
urządzeń, nie zawsze kończy się sukcesem. Te wyzwania czynią pracę tym bardziej interesującą
i dostarczającą satysfakcji, kiedy projektowane układy scalone pracują zgodnie z założeniami
projektowymi. Moim zamierzeniem jest kontynuacja badań w tych kierunkach, przy czym szczególny
nacisk kładę na doprowadzenie do praktycznej realizacji każdego projektowanego układu.
Jednym z wymiernych efektów mojej pracy jest łącznie około 90 publikacji, z tego 50
w czasopismach z listy filadelfijskiej oraz 2 patenty. Baza WoS odnotowuje 78 moich pozycji, liczbę
cytowań z wyłączeniem autocytowań – 670 a indeks H = 14 (według stanu na kwiecień 2013 r.).
Grzegorz Deptuch
Strona 17 / 17