Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

28 KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN
nach Röntgenbestrahlung einer Dosis von 400 kRad beobachtet. Abbildung 3.5 zeigt das damals
gemessene Ladungsspektrum. Der Sammelpeak bricht von 200 ADC auf circa 100 ADC ein,
während sich der Kalibrationspeak und damit die Verstärkung nicht signifikant ändert. Die
Verringerung der Ladungssammlungseffizienz von MIMOSA-2 nach Röntgenbestrahlung wird
in [Dev07] auf einen Durchbruch der P-Senke aufgrund der positiven Ladung zurückgeführt,
so dass in der Epitaxieschicht diffundierende Elektronen auch vom Resettransistor gesammelt
werden können, nicht zum Signal beitragen und dadurch eine Verringerung der Ladungssammlungseffizienz
hervorrufen.
3.4.2 Volumenschäden in MAPS
Die Strahlenhärte von MAPS in Bezug auf Volumenschäden wurde erstmals in [D + 07] beschrieben.
Weitere Informationen können auch den Arbeiten [Dev07], [AY07] und [Büd08] entnommen
werden. Die Autoren kommen übereinstimmend zu dem Ergebnis, dass sich durch Volumenschäden
die Ladungssammlungseffizienz verringert, während gleichzeitig der Leckstrom
und das Rauschen ansteigen.
Ein aussagekräftiges Beispiel kann [Büd08] entnommen werden. Durchgeführt wurde diese
Studie an MIMOSA-19 bei T = −20 ◦C und T = +20 ◦C bis zu einer maximalen Dosis von
1,95 · 1013 neq
cm2 . Eine Auswahl der Resultate zeigt Abbildung 3.6. Bei T = +20 ◦C verringert
sich die Ladungssammlungseffizienz eines MIMOSA-19 von 84% auf 67%. Der Leckstrom
steigt von wenigen fA auf bis zu 60 fA. Das Rauschen steigt von 20 e auf über 40 e. Das bei
−20 ◦C gemessene Rauschen steigt im Vergleich dazu nur leicht an. Der Autor erklärt die
Verringerung der Ladungssammlungseffizienz nach nicht-ionisierender Bestrahlung mit einer
erhöhten Defektkonzentration, so dass diffundierende Elektronen eine höhere Rekombinationswahrscheinlichkeit
besitzen. Diese Defekte werden weiterhin als Quelle für den erhöhten
Leckstrom und das Rauschen angegeben. Darüber hinaus wird aus dem bei −20 ◦C wesentlich
geringeren Anstieg des Rauschens geschlossen, dass die Kühlung der Sensoren eine Lösung
sein könnte, die Volumenschäden tolerieren zu können.
Für die Ladungsammlungseffizienz εCCE(d) von vier Pixel als Funktion der Bestrahlungsdosis
d wird in [Dev07] eine einfache Exponentialabhängigkeit beobachtet.
d −
εCCE(d) = εCCE(0) · e hcc (3.9)
Der Parameter εCCE(0) steht für die Ladungssammlungseffizienz vor der Bestrahlung, während
hcc als Härte der Ladungssammlungseffizienz gegen nicht-ionisierende Bestrahlung interpretiert
werden kann.