Untersuchungen zur Verbesserung der Strahlenhärte von CMOS-Sensoren zum Einsatz in Vertexdetektoren von Schwerionenexperimenten

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1 Untersuchungen zur Verbesserung der Strahlenhärte von CMOS-Sensoren zum Einsatz in Vertexdetektoren von Schwerionenexperimenten Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften vorgelegt am Fachbereich Physik der Johann Wolfgang Goethe-Universität in Frankfurt am Main von Dennis Doering aus Frankfurt am Main Frankfurt 2014 (D 30)

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis i v ix xiii 1 Einleitung Theoretische Grundlagen Das Phasendiagramm der starken Wechselwirkung Das MIT-Bag-Modell Phasenübergänge im Bag-Modell Hohe Temperatur Hohe Nettobaryonendichte Experimenteller Zugang Charm-Produktion als Sonde Messung von D-Hadronen in Schwerionenkollisionen Wahl des Sensors Dileptonenphysik Stand der Forschung Ziel dieser Arbeit Ansatz dieser Arbeit Struktur dieser Arbeit 16 2 CMOS Monolithic Active Pixel Sensoren Aktive Volumen Vorverstärker Signalaufbereitung zum CDS-Signal Signalaufbereitung im Fall eines 3T-Pixels Signalaufbereitung im Fall eines SB-Pixels 24 i

3 ii INHALTSVERZEICHNIS 3 Strahlenschäden Oberflächenschäden Volumenschäden Thermische Ausheilung Ausheilung von Volumenschäden Ausheilung von Oberflächenschäden Bekannte Strahlenschäden an MAPS Oberflächenschäden Volumenschäden Wechselwirkung von Oberflächen- und Volumenschäden Random Telegraph Signal Random Telegraph Signal in der Sammeldiode Random Telegraph Signal in Transistoren 50 4 Methoden zur Strahlenhärteuntersuchung Standardverfahren zur Strahlenhärteuntersuchung Experimenteller Aufbau Auslesesystem Aufbau des Kühlsystems Kühlstrategien Ausheilstrategie Radioaktive Quellen Observablen Dunkelsignal und Leckstrom Äquivalente Rauschladung Fehltreffer Photonenkonversion Fe-55-Quelle Cd-109-Quelle Cluster Ladungs Verteilung Kalibrierung Detektionseffizienz Weiterentwickelte Methoden Modifizierter Messstand PXI-System Erweiterung des Kühlsystems Automatische Datenaufnahme Temperaturmessung mittels Wärmebildkamera Radioaktive Quellen Betaquellen Erweiterung der Observablen %-Rauschen 74

4 INHALTSVERZEICHNIS iii Selektion von Diodentreffern Volumenanteile der Ladungssammlung Signalantwort beim Nachweis von Betateilchen Signal-Rausch-Verhältnis Rechteckige Pixel 79 5 Hochohmige CMOS-Sensoren MAPS mit hochohmiger Epitaxieschicht Ladungssammlung des Seed-Pixels Cluster-Größe Signalantwort beim Nachweis von Betateilchen Äquivalente Rauschladung Zusammenfassung Strahlenhärte gegenüber nicht-ionisierender Strahlung Erster Betrieb der bestrahlten Sensoren Beobachtung Interpretation als Effekt des Leckstroms Verringerung des Leckstroms Thermische Ausheilung Kühlen Parasitäre Oberflächenschäden Betrieb eines mit 3el4n/cm2 bestrahlten HR-Sensors Äquivalente Rauschladung Signalantwort beim Nachweis von Photonen Signalantwort beim Nachweis von Betateilchen Interpretation Signal-Rausch-Verhältnis Einfluss der Pixelgröße Signalantwort beim Nachweis von Photonen Signalantwort beim Nachweis von Betateilchen Signal-Rausch-Verhältnis Nicht-ionisierende Strahlenhärte Moderate Kühlung Zusammenfassung Epitaxieschichtdicke Vergleich der Rauschladung für bestrahlte HR- und LR-Sensoren Pixel mit einer Pixelgröße von bis zu 80 (JJTI Äquivalente Rauschladung von MIMOSA Signalamplitude Mehrfache Dioden Ladungssammlung in einer vier Diodengeometrie Einfluss des Seitenverhältnisses rechteckiger Pixel Von der Pixelgröße abhängige Strahlenhärte 115

5 iv INHALTSVERZEICHNIS 5.3 Strahlenhärte eines vollintegrierten Sensors Signalantwort beim Nachweis von Photonen Fehltrefferrate MIMOSA-26-AHR im Strahltest Strahlenhärte gegenüber ionisierender Strahlung Einsatzmöglichkeiten Zusammenfassung CMOS-Sensoren im 0,18 [im Prozess Optimierung des Layouts Einfluss des Transistorlayouts Einfluss der Diodenoberfläche Tiefe P-Senke Strahlenhärte gegenüber ionisierender Strahlung Strahltest Zusammenfassung Zusammenfassung 143 A Publizierte Artikel 149 A.l Annealing studies on X-ray and neutron irradiated CMOS MAPS 150 A.2 Radiation tolerance of a column parallel CMOS sensor with high resistivity epitaxial layer 154 A.3 Pitch dependence of the tolerance of CMOS MAPS to non-ionizing radiation. 166 A.4 Noise Performance and ionizing radiation tolerance of CMOS MAPS using the 018 um CMOS process 170 Literaturverzeichnis 179