Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

5.1. SEPARATE UND KOMBINIERTE BESTRAHLUNG IM VERGLEICH 61
Damit wird als Schlussfolgerung für den Leckstrom im Rahmen der Messung eine signifikante
zusätzliche Komponente nach kombinierter Bestrahlung identifiziert. Um eine gesicherte
Schlussfolgerung zu erreichen, müsste noch ausgeschlossen werden, dass das Ergebnis von
den systematischen Unsicherheiten verursacht wird. Dennoch wird das Ergebnis als starker
Hinweis angesehen, dass es eine Wechselbeziehung gibt. Als Ursache für die Wechselbeziehung
zwischen beiden Arten der Bestrahlung werden vor allem an der Grenzschicht zwischen Silizium
und Siliziumdixoid vermutet. Durch Neutronenbestrahlung induzierte Defekte können die
thermische Anregung der Elektronen erleichtern. Aufgrund der hohen P-Dotierung sind diese
in der P-Senke nicht sehr beweglich. Nun ist vorstellbar, dass die durch Röntgenbestrahlung
generierten Felder die Elektronen zunächst zur Silizium-Siliziumdixoidoberfläche ziehen und
von dort zur Diode leiten. Dies führt dann zu einer zusätzlichen Leckstromkomponente, die
ausschließlich nach einer kombinierten Bestrahlung auftritt.
Die Additivität des Leckstromes wird verworfen. Der Effekt der identifizierten zusätzlichen
Komponente ist allerdings schwach, so dass er wenige praktische Auswirkungen haben wird
und es ist gerechtfertigt, eine Additivität näherungsweise anzunehmen.
5.1.3 Addition der Strahlenschäden in der Observablen Rauschen
Während das Rauschen eines unbestrahlten MAPS nahezu temperaturunabhängig ist, steigt es bei
bestrahlten Sensoren stark mit der Temperatur an. Diese Temperaturabhängigkeit wurde bereits
für separate Volumen- und Oberflächenschäden in den Arbeiten [Büd08] und [AY07] untersucht.
Bisher nicht untersucht wurde die Temperaturabhängigkeit nach kombinierter Bestrahlung. Abbildung
5.4 zeigt das Rauschen eines unbestrahlten sowie kombiniert bestrahlten MIMOSA-18.
Die Fehlerbalken repräsentieren die Breite der Verteilung, während die redundanten Messpunkte
die systematische Streuung zeigen. Das Rauschen des unbestrahlten MIMOSA-18 zeigt über
den ganzen Temperaturbereich von ∆T = 80 K keinen besonders großen Anstieg. Das Rauschen
des entsprechend bestrahlten Sensors dagegen steigt um einen Faktor 4. Bemerkenswerterweise
ist die Lücke zwischen beiden Graphen bei niedrigen Temperaturen sehr klein. Daraus lässt sich
schließen, dass das Rauschen bei niedrigen Temperaturen nicht von Defekten aus der Bestrahlung
dominiert wird. Dies deckt sich mit der Erwartung, dass der durch die Strahlenschäden
erzeugte, zusätzliche Anteil des Rauschens vorwiegend ein Schrotrauschen ist, welches vom
Leckstrom verursacht wird. Dieses wird erst bei höheren Temperaturen bedeutsam. Damit bietet
es sich geradezu an, die Chips bei niedrigen Temperaturen zu betreiben, da bei diesen das Rauschen
durch die Bestrahlung im Vergleich zur Messung bei T = +20 ◦ C nur geringfügig ansteigt.
In Abbildung 5.5 wird das Rauschen in Abhängigkeit von der Neutronenbestrahlungsdosis aufgetragen.
Das Rauschen steigt bei T = −20 ◦ C leicht von circa 11 e − auf 13 e − , bei T = +20 ◦ C
stark von 13 e − auf 40 e − an. Durch die zusätzlichen Oberflächenschäden steigt das Rauschen
stark bei T = −20 ◦ C auf 23 e − und bei T = +20 ◦ C auf 65 e − .