Kurzfassung
Derzeit befindet sich der European X-ray Free-Electron Laser (EuXFEL) am DESY in Hamburg im Bau.
Der EuXFEL wird einzigartige Eigenschaften bezüglich der Röntgenstrahlungsenergie,
instantanen Intensität, Kohärenz und Anzahl der Pulse pro Sekunde aufweisen.
Diese Eigenschaften des EuXFEL stellen sehr hohe Anforderungen an bildgebende Detektoren.
Eines der Detektorsysteme, dass sich derzeit in Entwicklung befindet, um diesen Anforderungen zu
genügen, ist der Adaptive Gain Integrating Pixel Detector (AGIPD). Beim AGIPD handelt
es sich um ein hybrides Pixeldetektorsystem bestehend aus 1024 x 1024 p+ Pixel mit den Abmessungen von 200 um x 200 um,
hergestellt aus 16 p+ n n+ -Siliziumsensoren wobei jeder eine sensitive Fläche von
10.52 cm x 2.56 cm hat und eine Dicke von 500 um.
Die speziellen Anforderungen an den AGIPD sind
die Unterscheidung von Rauschen und einzelnen Photonen
bis zu Energien von 5 keV, mehr als 104 Photonen
pro Pixel innerhalb einer Pulsdauer von
100 fs, vernachlässigterer 'pile-up' für die EuXFEL
Wiederholungsrate von 4.5 MHz,
Röntgenstrahlungenhärte bis zu einer Dosis von 1 GGy,
hohe Quanteneffizienz
für Energien im Bereich von 5 and 20 keV und minimale
nichtsensitive Bereiche.
Die größte Herausforderung für das
Sensordesign ist die geforderte Strahlentoleranz
bei gleichzeitig hoher Betriebsspannung, die notwendig ist um
Plasmaeffekte zu minimieren.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist ein speziell
optimierter Sensor notwendig.
Die Röntgenstrahlungsschäden führen zum
Aufbau von Oxidladungen und Grenzflächenhaftstellen
die zu einer Reduzierung der Durchbruchsspannung, einem
erhöhten Dunkelstrom, einer erhöhter
Interpixelkapazität und Ladungsverlusten führen.
Umfangreiche TCAD Simulationen wurden
durchgeführt, um den Einfluss der
Röntgenstrahlungsschäden auf die
Detektoreigenschaften
zu verstehen und den Sensor zu optimieren. Um die
Strahlenschäden in den Simulationen
zu berücksichtigen, wurden Parameter, die die
Strahlenschädigung berschreiben,
aus Messungen an MOS Kondensatoren und 'gate-controlled' Dioden als
Funktion der Dosis bestimmt. Der optimierte Sensor wurde von SINTEF
hergestellt und
Bestrahlungstests an Teststrukturen und Sensoren zeigen, dass er
strahlenhart ist und sich so verhält, wie es von den TCAD
Simulationen beschrieben wurde.
Zusätzlich wurden genaue TCAD Simulationen
durchgeführt, die es ermöglichen beobachte
Ladungsverluste in p+ - n Siliziumsensoren nahe an der Si-SiO2 Grenzefläche
unter verschiedenen Umgebungseinflüssen zu verstehen.
At DESY Hamburg the European
X-ray Free-Electron Laser (EuXFEL) is presently under construction.
The EuXFEL has unique properties with respect to X-ray energy,
instantaneous intensity,
pulse length, coherence and number of pulses/sec. These properties
of the EuXFEL pose very demanding requirements for imaging detectors.
One of the detector systems which is currently under development to
meet these challenges is the Adaptive Gain Integrating Pixel Detector,
AGIPD. It is a hybrid pixel-detector system with 1024 x 1024 p+ pixels of dimensions 200 um x 200 um, made of 16 p+ n n+
-
silicon sensors, each with 10.52 cm x 2.56 cm sensitive area and 500 um
thickness.
The particular requirements for the AGIPD are a separation between
noise and single photons down to energies of 5 keV, more than 104
photons per pixel for a pulse duration of less than 100 fs, negligible
pile-up at the EuXFEL repetition rate of 4.5 MHz, operation for X-ray
doses up to 1 GGy, good efficiency for X-rays with energies between 5
and 20 keV, and minimal inactive regions at the edges.
The main challenge in the sensor design is the required radiation
tolerance and
high operational voltage, which is required to reduce the so-called
plasma effect. This requires a specially optimized sensor. The X-ray
radiation damage results in a build-up of oxide charges and interface
traps which lead to a reduction of the breakdown voltage, increased
leakage current, increased interpixel capacitances
and charge losses. Extensive TCAD simulations have been performed to
understand the impact
of X-ray radiation damage on the detector performance and optimize the
sensor design.
To take radiation damage into account in the simulation, radiation
damage parameters have been determined on MOS capacitors and
gate-controlled diodes as function of dose. The optimized sensor design
was fabricated by SINTEF. Irradiation tests
on test structures and sensors show that the sensor design is radiation
hard and
performs as predicted by the TCAD simulations.
In addition, detailed TCAD simulations have been performed
which have led to a qualitative understanding of the charge losses
observed in p+ - n silicon sensors at the Si-SiO2 interface under
different environmental conditions.