Radiation Hard Silicon Pixel Sensor for X-ray Science

Author: 
Jörn Schwandt
Date: 
Sep 2014

Thesis Type:

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 $1024 \times 1024$ $p^+$ pixels of dimensions 200 $\mu $m $\times $ 200 $\mu $m, made of 16 $p^+ n n^+$- silicon sensors, each with 10.52 cm $\times $ 2.56 cm sensitive area and 500 $\mu $m thickness. The particular requirements for the AGIPD are a separation between noise and single photons down to energies of 5 keV, more than 10$^4$ 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-SiO$_2$ interface under different environmental conditions.

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 $1024\times 1024$ $p^+$ Pixel mit den Abmessungen von 200 $\mu $m $\times $ 200 $\mu $m, hergestellt aus 16 $p^+ n n^+$-Siliziumsensoren wobei jeder eine sensitive Fläche von 10.52 cm $\times $ 2.56 cm hat und eine Dicke von 500 $\mu $m. Die speziellen Anforderungen an den AGIPD sind die Unterscheidung von Rauschen und einzelnen Photonen bis zu Energien von 5 keV, mehr als 10$^4$ Photonen pro Pixel innerhalb einer Pulsdauer von 100 fs, vernachlässigbarer "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-SiO$_2$ Grenzefläche unter verschiedenen Umgebungseinflüssen zu verstehen.

AttachmentSize
PDF icon Thesis_Schwandt.pdf7.77 MB