Strahlenschäden und Strahlenhärte von Halbleiterdetektoren

11 BETRIEBSSZENARIO 16
11 Betriebsszenario
Abbildung 13: Betriebsszenario des CMS Trackers während 10 Jahren Laufzeit.
Dieses Betriebsszenario stellt eine vorhergesagte zeitliche Entwicklung der Depletionsspannung
für den CMS-Tracker dar. Die drei eingetragenen Kurven stehen jeweils für unterschiedliche
Dicken eines Substrats. Bei allen erkennt man deutlich die typische Kurve
der Typ-Inversion mit einem vernünftigen Wert der Depletionsspannung am Anfang sowie
am Ende der Betriebszeit. Jedoch sieht man in jeder Kurve Stufen. Eine Stufe besteht aus
drei Phasen: Einem langen Anstieg/Abfall aufgrund der Änderung der effektiven Dotierung
während der Betriebszeit, eine Entwicklung der Kurve in die entgegengesetzte Richtung aufgrund
des Beneficial Annealings während Wartungsarbeiten bei Nicht-Kühlung des Systems
und ein Plateau, bei welchem die effektive Dotierung stagniert während gekühlter Ruhephase
des Systems. Man möchte vermeiden, daß eine Stufe aus vier Phasen besteht. Das ist der
Fall, falls Reverse Annealing eintritt und die Kurve nach der zweiten Phase noch einmal
umlenkt, bevor sie ein Plateau formt.
Dieses Szenario ist der aktuelle Idealfall. Dieser kann nur eintreten, wenn der Detektor
ständig ausreichend gekühlt wird.
12 Oberflächenschäden
Oberflächenschäden entstehen durch ionisierende Strahlung. Sie werden durch Aufladungen
im Oxid erzeugt und verursachen hauptsächlich Defekte in der Ausleseelektronik des Detektors,
besonders in MOSFET-Strukturen.
In der Oxidschicht SiO2 auf dem Siliziumwafer entstehen, wie in Abb. ?? sichtbar, bei
einfallender Strahlung eh-Paare. Da Elektronen eine höhere Mobilität besitzen, können diese
aus dem Oxid driften. Zurück bleiben die Löcher, welche positive Aufladungen darstellen, sog.
fixed oxide charges, welche sich am Interface zum Oxid ansammeln und dort im Silizium eine