Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

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72 KAPITEL 5. DIE STRAHLENHÄRTESTUDIE Leakage current [fA] 350 300 250 200 150 100 50 X-ray radiation Combined radiation Neutron radiation Stored 3 days at room temperature 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Annealing time at +80°C [h] Abbildung 5.10: Leckstrom des Sensors als Funktion der Dauer der Aufheizung auf T = +80 ◦ C für die einzelne Röntgenbestrahlung (schwarze Quadrate), für die kombinierte Bestrahlung (rote Kreise) und Neutronenbestrahlung (blaue Dreiecke). Die überlagernde Ausheilung durch die Messung und Lagerung der Chips bei T = +20 ◦ C wird in der Zeitskala nicht berücksichtigt. Deshalb ist innerhalb der Daten der kombiniert- und röntgenbestrahlten Sensoren bei Stunde 15 ein Knick zu erkennen. Dieser resultiert aus einer dreitägigen Lagerung der Sensoren bei Raumtemperatur.
5.2. AUSHEILUNG VON STRAHLENSCHÄDEN 73 5.2.2.1 Leckstrom Die Ergebnisse der Studie im Hinblick auf den Leckstrom werden in Abbildung 5.9 gezeigt. Der Leckstrom beider Sensoren sinkt nach der Lagerung bei Raumtemperatur (T ≈ +20 ◦ C) von (418 ± 15) fA auf (338 ± 11) fA (ionisierende Bestrahlung) und von (425 ± 14) fA auf (346 ± 11) fA (kombinierte Bestrahlung). Die Fehlerangaben ebenso wie die Fehlerbalken in der Abbildung stellen die Breite der Streuung der Leckströme der individuellen Pixel um den Median dar. Aufgrund der großen Anzahl der Pixel ist der statistische Fehler des Medians hierbei praktisch vernachlässigbar. Der Leckstrom des kombiniert bestrahlten Sensor liegt leicht über demjenigen des Sensors nach der Röntgenbestrahlung. Obwohl sich die Leckstromverteilungen der beiden Sensoren im Allgemeinen überlappen, ist die Abweichung statistisch signifikant. Sie bleibt jedoch mit 2 − 5% in der Größenordnung der systematischen Ungenauigkeit des Versuchsaufbaus. Wie in Abschnitt 3.3 erläutert, wird die Abhängigkeit der Defektkonzentration von der Ausheilzeit mit einem Exponentialansatz beschrieben. Unter der Annahme, dass der Leckstrom mit der Zahl der verbleibenden Defekte skaliert, wird ein exponentielles Ausheilverhalten erwartet. ILeakage = I0e − t Anneal τ + Istabil (5.4) Hierbei steht I0 für den Anteil des Leckstrom, der ausgeheilt werden kann. Istabil ist der Anteil des Leckstromes, der bei der gewählten Temperatur nicht ausgeheilt wird, während τ die Zeitkonstante der Ausheilung charakterisiert. Die Zeitkonstante beträgt bei der Ausheilung bei Raumtemperatur (104 ± 58) h nach der Röntgenbestrahlung und (83 ± 30) h nach der kombinierten Bestrahlung. Die Fehlerangaben ergeben sich aus der Anpassung. Deshalb kann nur abgeleitet werden, dass die Zeitkonstanten bei Raumtemperatur in der gleichen Größenordnung bei rund 100 Stunden liegen. Der exponentielle Fit ermöglicht auch eine Extrapolation des Leckstromes kurz nach der Bestrahlung. Dieser beträgt (417±21) fA für die Röntgenbestrahlung und (428±11) fA, wenn vor der Röntgenbestrahlung bereits Volumenschäden durch eine Neutronenbestrahlung vorhanden waren. Abbildung 5.10 zeigt den Leckstrom als Funktion der Dauer des anschließenden Ausheilens bei T = +80 ◦ C. Der Leckstrom sinkt nach 73 Stunden bei T = +80 ◦ C auf (142 ± 5) fA für kombinierte Bestrahlung beziehungsweise (116 ± 4) fA für die einzelne Röntgenbestrahlung. Im Laufe der Ausheilung differenzieren sich die Leckströme der beiden Chips bei längeren Ausheilzeiten zunehmend aus. Die gesamte Verringerung des Leckstromes beträgt im untersuchten Zeitraum circa 70%. Neben der oben genannten Studie wurde auch ein möglicher Einfluss eines Ausheilprozesses bei T = +80 ◦ C auf einen Sensor mit nur Volumenschäden untersucht (Abbildung 5.10 blaue Dreiecke). Der an diesem Sensor gemessene mittlere Leckstrom der Dioden sinkt um einen 1 Die zum Erwärmen und Abkühlen der Sensoren benötigte Zeit lag bei jeweils 15 Minuten und wird im Folgenden zur Zeit bei T = +20 ◦ C hinzugerechnet.
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Eine Ausheilstudie an bestrahlten M
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B Abstract CMOS Monolithic Active P
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ii INHALTSVERZEICHNIS 4 Methoden zu
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iv ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5.2 Ladung
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vi TABELLENVERZEICHNIS
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2 KAPITEL 1. EINLEITUNG 1.2 Fragest
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4 KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIXE
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10 KAPITEL 2. MONOLITHIC ACTIVE PIX
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18 KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN zeln
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20 KAPITEL 3. STRAHLENSCHÄDEN Abbi
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