Radiation Hardness Studies of Monolithic Active Pixel Sensors ...

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78 KAPITEL 5. DIE STRAHLENHÄRTESTUDIE Entries in histogram (1 bin = 1 ADC) 600 500 400 300 200 100 neutron dose: 10 13 n eq /cm 2 Before heating After heating 7 days to +80°C Renormalized (corrected 0 for half life of test source) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 Charge collected [ADC] Cd-109 1 pixel cluster +20°C Abbildung 5.14: Ladungsspektrum eines Neutronenbestrahlten Sensor vor (schwarz) und nach einer Aufheizung (rot) von sieben Tagen auf T = +80 ◦ C. Die Clustergröße beträgt 1 Pixel.
5.2. AUSHEILUNG VON STRAHLENSCHÄDEN 79 des Spektrums und damit der Ladungssammlungseffizienz erkennbar. Damit heilen die durch Neutronen induzierten Volumenschäden unter diesen Bedingungen nicht aus. Eine Verschlechterung der Ladungssammlungseffizienz durch ein negatives Ausheilen wird nicht beobachtet, so dass Neutronenbestrahlte Sensoren ausgeheilt werden können, ohne dass eine Verringerung der Ladungssammlungseffizienz zu erwarten ist. Im nächsten Schritt soll die Hypothese überprüft werden, ob Volumenschäden positiv ausheilen. Bekannt war, dass Neutronenbestrahlung Defekte hervorruft, die Rekombinationszentren für Signalelektronen darstellen, so dass der Sammelpeak sich zu niedrigen Signalhöhen verschiebt. Wenn nun diese Defekte thermisch ausheilen, verringert sich die Anzahl an Rekombinationszentren, mehr Signalelektronen erreichen die Dioden und der Sammelpeak verschiebt sich wieder zu höheren Signalhöhen. Am größten sollte der Effekt sein, wenn alle 25 Pixel um einen Cluster ausgelesen werden, da dort dann entsprechend auch Elektronen beitragen, die in die äußeren Pixel des Clusters diffundiert sind und damit eine entsprechend lange Diffusionsstrecke zurückgelegt haben. Abbildung 5.15 zeigt die Position des Sammelpeaks als Funktion der Ausheilzeit bei +80 ◦ C. Nach der Neutronenbestrahlung verringert sich die Position des Sammelpeaks wie erwartet. In Übereinstimmung mit der Hypothese erhöht sich die Position des Sammelpeaks durch die Aufheizung systematisch um 5%. Abbildung 5.15 zeigt darüber hinaus auch die Position des Kalibrationspeaks, bestimmt bei einer Clustergröße von einem Pixel, aus der sich die Verstärkung ermitteln lässt. Diese fluktuiert im Gegensatz zum Sammelpeak nur in der Größenordnung von 0,2% und ist deshalb nicht wie nach einer Röntgenbestrahlung für die Änderung des Spektrums verantwortlich. Auch wenn der Effekt mit 5% nicht sehr groß ist, kann die Messung als starker Hinweis für die Hypothese, dass Volumenschäden in MAPS positiv ausheilen, angesehen werden. Wie in Abschnitt 5.1.1 diskutiert, wurde kein signifikanter Effekt nach Röntgenbestrahlung auf die Ladungssammlungseffizienz beobachtet. Die Messungen wurden mit einem großen zeitlichen Abstand zur Bestrahlung durchgeführt, aus diesem Grund waren Kurzzeitausheilungseffekte (short term annealing) nicht messbar. Um diese Kurzzeitausheilungseffekte zu messen, wurde in der folgenden Studie das Ladungsspektrum möglichst zeitnah nach der Bestrahlung aufgenommen. Insbesondere wurden die in Abschnitt 5.1.1 ausgeführten Erkenntnisse berücksichtigt und das Ladungsspektrum des Cd-109-Strahlers und nicht des etablierten Fe-55-Strahlers betrachtet. Der Einfluss der Bestrahlung und danach einsetzenden Ausheilung auf das Ladungsspektrum wird in Abbildung 5.16 gezeigt. Die Röntgenbestrahlung und damit das Generieren von Oberflächenschäden führt zu einer Verschiebung des Spektrums zu leicht niedrigeren Signalhöhen. Vor allem der Kalibrationspeak wird breiter und verschiebt sich signifikant um 30 ADC-Einheiten. Die niedrigen Signalhöhen werden nach der Bestrahlung wegen des erhöhten Rauschens weggeschnitten. Weiterhin verschwindet bei ungefähr 120 ADC im Cd-109-Spektrum die Röntgenfluoreszenzlinie von Ba Lα fast vollständig. Das Spektrum verschiebt sich durch die 280 Stunden Lagerung bei Raumtemperatur und 73 Stunden bei T = +80 ◦ C wieder zu höheren Signalhöhen. Die Verschiebung des Spektrums nach der Bestrahlung wird durch die Ausheilung nahezu vollständig kompensiert. Dies erklärt,
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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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