Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

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.