Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

22 KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN
Parametrisierung der Abhängigkeit des Leckstromes von der Bestrahlungsdosis Φeq durchgeführt
werden.
∆I = αV · Φeq
(3.5)
V ist das Volumen, in dem der Leckstrom generiert wird, ∆I ist die Differenz des Leckstromes vor
und nach der Bestrahlung. Die Leckströme vor der Bestrahlung sind normalerweise im Vergleich
zu denen nach dem Bestrahlen vernachlässigbar. Trotzdem werden diese in der Berechnung
berücksichtigt. Der Proportionalitätsfaktor α wird Leckstrom erhöhende Schadensrate (current
related damage rate) genannt und hängt von der Betriebstemperatur und Ausheilungshistorie des
Sensors ab. Im Umkehrschluss lässt sich damit aus einer Änderung des Proportionalitätsfaktors
auf eine Ausheilung schließen, wenn dieser in einem zeitlichen Abstand bei gleicher Temperatur
gemessen wird.
Die in der Epitaxieschicht generierten Volumenschäden stellen Rekombinationszentren für
Signalelektronen dar. Eine höhere Dosis nicht-ionisierender Strahlung generiert mehr Defekte.
Eine größere Anzahl an Defekten erhöht die Rekombinationswahrscheinlichkeit der Signalelektronen,
so dass die Lebenserwartung dieser im Leitungsband mit steigender Strahlendosis
sinkt.
3.3 Thermische Ausheilung
3.3.1 Ausheilung von Volumenschäden
Die Defekte im Kristallgitter sind nicht statisch, sondern können diffundieren. Die Diffusionsgeschwindigkeit
hängt hauptsächlich von der Temperatur ab. Jedem Defekttyp kann eine
bestimmte Temperatur zugeordnet werden, ab der er zu diffundieren beginnt. Dies trifft auch auf
durch Strahlung induzierte Defekte zu. Da die Sensoren weiterhin nach der Bestrahlung nicht
tief genug gekühlt werden, lässt sich die Defektmigration nicht unterbinden.
Die Defektmigration hilft, einen Teil der durch Bestrahlung induzierten Defekte zu kompensieren.
Wenn zwei sich rekombinierende Defekte durch die Diffusion aufeinander treffen, können
sich beide aufheben. Der entsprechende Strahlenschaden wird dadurch repariert. Es wird von
einer positiven Ausheilung (beneficial annealing) gesprochen. Gleichzeitig können sich zwei
Defekte genauso gut zu einem Komplexdefekt zusammenschließen und dadurch einen eventuell
schwerwiegenderen Strahlenschaden hervorrufen. Dies wird selbstverstärkende Schädigung 2
genannt. Um diesen Defekt wieder aufzulösen, ist eine wesentlich höhere Energie erforderlich.
Abbildung 3.3 zeigt die drei denkbaren Fälle Migration, Komplexbildung und Komplexzerfall
2 Das Oxymoron "‘negatives Ausheilen"’ beziehungsweise "‘gegenläufiges Ausheilen"’ ist sprachlich näher
am englischen Fachbegriff "‘negative annealing"’ beziehungsweise "‘reversed annealing"’ und wird, obwohl es
streng genommen ein Oxymoron ist, im Folgenden anstatt "‘selbst verstärkende Schädigung"’ verwendet, um das
Verständnis zu erleichtern.