Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

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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.
4.4. OBSERVABLEN 39 CDS signal [ADC] 700 600 500 400 300 200 Standard deviation: Noise 100 0 200 400 600 800 1000 Epitaxial layer hit (seed pixel) Time [s] Diode hit Fake hit? Mean: Pedestal/Leakage current 2 0 0 0 5000 10000 15000 20000 Time [frames] Epitaxial layer hit (cluster pixel) Abbildung 4.3: Auslesesignal eines Pixel mit in verschiedenen Regionen des Sensors registrierten Treffer einer radioaktiven Cd-109-Quelle. Die Signale könnten auch Fehltreffer sein [Doe08]. Der Leckstrom und das Rauschen werden als Mittelwert beziehungsweise Standardabweichung über einen Abschnitt ohne Treffer ermittelt. 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 CDS signal [keV]
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