Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

18 KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN
zelnen ionisierenden Wechselwirkungen im Hinblick auf Energieübertrag und Zeitskala stark
unterscheiden [FSA + 96]. Angegeben wird die Strahlendosis ionisierender Strahlung deshalb
allgemein als Energiedeposition pro Masse der bestrahlten Probe.
Die SI-Einheit der Strahlendosis ionisierender Strahlung ist Gray, wobei 1 Gy = 1 J
kg ist. Die
veraltete Einheit Rad mit der Umrechnung 1 Rad = 10−2 Gy ist in der Detektorphysik weit
verbreitet, so dass in dieser Arbeit die Einheit Rad anstatt der SI-Einheit Gy verwendet wird,
um eine Konsistenz mit vorherigen Arbeiten zu erhalten.
Ein besonders wichtiger Mechanismus ist, wenn ionisierende Strahlung an der Grenzfläche
zwischen Silizium und dem Isolator Siliziumdioxid irreversible Defekte erzeugt. Die Kristallgitter
haben eine unterschiedliche Gitterkonstante, wodurch es an der Grenzschicht irreguläre
Bindungen gibt, die sich bei Raumtemperatur nicht regenerieren können, nachdem sie von
ionisierender Strahlung zerstört wurden. Dadurch ändern sich die elektrischen Eigenschaften
des Materials. Insbesondere können durch die Ionisation positive Defekte zurückbleiben, die
unerwünschte, die Eigenschaften des Sensors beeinträchtigende, elektrische Felder generieren.
Weiterhin können Defekte im Siliziumdioxid erzeugt werden. Ionisierende Strahlen können trotz
der relativ großen Bandlücke des Siliziumdioxid von 8,8 eV Elektron/Lochpaare erzeugen. Die
Beweglichkeit der Elektronen im Material ist höher als die Beweglichkeit der Löcher, so dass die
Elektronen in andere Bereiche diffundieren und den Löchern ihre Rekombinationspartner fehlen.
Diese diffundieren dadurch zur Grenzschicht und werden mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit
durch Defekte an der Grenzschicht eingefangen, bevor sie mit einem Elektron aus dem Silizium
rekombinieren können. Sie erzeugen ebenfalls elektrische Felder.
Die Ladungsträger diffundieren nicht im Siliziumdioxid, sondern driften durch elektrische Felder.
Deshalb hängen die Schäden ionisierender Bestrahlung davon ab, ob der Sensor in Betrieb
ist und damit elektrische Felder vorhanden sind. Die während der ionisierenden Bestrahlung
generierten Oberflächenschäden sind in kurzgeschlossenen Detektoren wesentlich geringer.
Entsprechend wurden ionisierende Bestrahlungen ausschließlich mit bei der Bestrahlung betriebsfähigen
Chips durchgeführt.
Die induzierten Felder können die elektrischen Eigenschaften der Schaltkreise verändern. So
können diese eine Verbindung zwischen Quelle (source) und Abfluss (drain) eines Transistors
hervorrufen und dadurch ungewollte Leckströme generieren. Zur Abschirmung der Transistoren
haben sich nach [EHAN93] spezielle Schutzringe (guard rings) bewährt, die die Anschlüsse des
Transistors umgeben. Die Schutzringe selbst bestehen aus dünnem Oxid, das ein Ausheilen der
durch die ionisierende Bestrahlung generierten Löcher durch den Tunneleffekt ermöglicht.