Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

38 KAPITEL 4. METHODEN ZUR STRAHLENHÄRTEUNTERSUCHUNG
überlagernde Gammastrahlung lassen sich durch eine Bestrahlung ohne Anlegen einer Spannung
unterdrücken. Die Strahlenschäden sind folglich hauptsächlich nicht-ionisierend.
Eine kombinierte Bestrahlung wird durch sequentielle Bestrahlung durch zunächst Neutronen
und nachfolgend Röntgenphotonen erreicht. Zwischen den Bestrahlungsvorgängen können Zeitspannen
von Tagen bis zu Jahren liegen. Dies hat den Vorteil, dass der nicht-ionisierende Anteil
bereits vor der Röntgenbestrahlung studiert werden kann und damit Vergleiche vor und nach der
einzelnen Bestrahlung durchgeführt werden können. Die ebenfalls denkbare Reihenfolge erst
Röntgen- und dann Neutronenbestrahlung ist aus zwei praktischen Gründen nicht möglich, da
die Chips zur Neutronenbestrahlung aufgrund der nicht möglichen Abschirmung der Ausleseelektronik
ungebondet sind. Außerdem sind die Sensoren während der Röntgenbestrahlung mit
den Betriebsspannungen zu versorgen, welches gebondete Chips erfordert (siehe Abschnitt 3.1).
4.4 Observablen
Die im Kapitel 3 diskutierte mikroskopische Defektstruktur kann mit dem verwendeten Messaufbau
nicht direkt untersucht werden. Deshalb kann sich diese Strahlenhärtestudie nur darauf
beschränken, aus den makroskopischen Observablen Rückschlüsse auf die mikroskopische
Struktur der durch Strahlenschäden induzierten Defekte zu ziehen. Dazu wird im Folgenden
die in den Arbeiten [Dev07], [AY07], [Doe08] und [Büd08] entwickelte Messprozedur zur
Untersuchung von Strahlenschäden an MAPS vorgestellt. Der eigentliche Messablauf teilt sich
in drei Schritte. Erstens wird eine Referenzmessung möglichst mit einem noch unbehandelten,
das heißt weder bestrahlten noch ausgeheilten, Chip durchgeführt. Zweitens wird der Chip
behandelt bzw. ein zur Referenz baugleicher Chip bestrahlt. Drittens wird die Messung unter
möglichst guter Reproduktion der Versuchsbedingungen der Referenzmessung am behandelten
Chip wiederholt und die verbleibende Leistungsfähigkeit des Sensors nach der Behandlung
abgeschätzt. Der Vergleich mit der Referenzmessung sowie eine Analyse der verschiedenen
Observablen helfen darüber hinaus, besonders strahlenempfindliche Komponenten des Sensors
zu identifizieren. Ziel ist letztlich, die Änderung dieser nach der Behandlung mit Strahlung oder
Ausheilung möglichst umfassend zu verstehen.
Insgesamt können vier Hauptobservablen aus dem Auslesesignal des Sensors extrahiert werden.
Abbildung 4.3 zeigt ein typisches Auslesesignal bzw. Signal nach Anwendung von CDS.
Wie bereits in Abschnitt 2.2.1 ausgeführt, ist der Signalverlauf im Wesentlichen durch Leckstrom
(Abschnitt 4.4.1) und durch Rauschen (Abschnitt 4.4.2) bestimmt. Peaks sind als Signalladung
(Abschnitt 4.4.3), aber auch unter Umständen als Fehltreffer (siehe [Doe08]) zu interpretieren.
In den folgenden Unterabschnitten werden die Observablen im Detail vorgestellt. Dazu wird
zuerst die Berechnung der jeweiligen Observable aus dem Auslesesignal ausgeführt.