Radiation effects and noise evolution in NewAthena WFI flight-production sensors

Technische Samenvatting: Stralingseffecten en Ruisevolutie in NewAthena WFI Flight-Production Sensoren

Probleemstelling
De Wide Field Imager (WFI) voor de NewAthena X-ray observatie van ESA vertrouwt op achterbelichte DEPFET (Depleted p-channel field-effect transistor) sensoren om een hoge energie-resolutie (nabij de Fano-limiet) en een hoog tellrate-vermogen te bereiken in het bereik van 0,2–15 keV. Een kritieke prestatievereiste is een uitzonderlijk lage uitleisruis van ongeveer 3 elektronen Equivalent Noise Charge (ENC) aan het begin van de levensduur (Beginning of Life, BOL). Echter, deze sensoren zijn zeer gevoelig voor degradatie door straling. In de ruimteomgeving vormen twee primaire mechanismen een bedreiging voor de prestaties: Total Non-Ionizing Dose (TNID), wat leidt tot roosterverplaatsingsschade (lattice displacement damage) en een toename van de donkerstroom, en Total Ionizing Dose (TID), die invloed heeft op de gate-oxide en de drempelspanning. Hoewel eerdere studies de pre-flight sensoren hebben gekarakteriseerd, was er een behoefte om deze bevindingen te valideren met hardware uit de flight-productie en om de specifieke bijdragen van TNID en TID aan het totale ruisbudget te onderscheiden, in het bijzonder met betrekking tot hun temperatuurafhankelijkheid en temporele evolutie.

Methodologie
De studie maakte gebruik van twee afzonderlijke bestralingscampagnes op detectormodules die 64×64-pixel DEPFET-sensoren bevatten van de eerste NewAthena flight-production wafer.

1. Protonbestraling (TNID en Kortetermijn-annealing):

   • Faciliteit: MedAustron versneller (Wiener Neustadt, Oostenrijk).
   • Condities: Twee modules werden bestraald met 62,4 MeV protonen.
     • Module 1: Blootgesteld aan een hoge flux met een korte duur (19 s) om transiënte effecten en kortetermijn-annealing te bestuderen bij de nominale bedrijfstemperatuur van 213 K.
     • Module 2: Blootgesteld aan een lage flux met een lange duur (5,5 uur) om een totale verplaatsingsschadedosis te accumuleren die gelijk is aan $2,6 \cdot 10^9$ 10-MeV protonen/cm². Deze module werd gedurende 20 dagen na de bestraling op 213 K gehouden om de annealing van de donkerstroom te monitoren.
   • Meting: Detectoren werden volledig voorgespannen (fully biased) en geëxploiteerd tijdens de bestraling. Ruiscomponenten (donkerstroom, DEPFET intrinsieke ruis en ASIC-ruis) werden gescheiden door variaties in frametijden en source-drain spanningen toe te passen.

2. Röntgenbestraling (TID Isolatie):

   • Faciliteit: Standaard analytische röntgenbuis (Mo-K$\alpha$ bron).
   • Condities: Een aparte flight-production module werd bestraald tot een totale TID van 15 Gy. De readout ASICs waren afgeschermd om ervoor te zorgen dat alleen de DEPFET-sensor ioniserende straling ontving.
   • Meting: De studie monitorde de gemiddelde drempelspanningverschuiving en de evolutie van de ruiscomponenten over de tijd, inclusief annealing-stappen bij 242 K en 273 K.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Verplaatsingsschade (TNID) en Donkerstroom:

  • Protonbestraling bevestigde dat de door straling geïnduceerde donkerstroom lineair toeneemt met de verplaatsingsschadedosis.
  • Bij de verwachte End-of-Life (EOL) dosis van $1,3 \cdot 10^9$ 10-MeV protonen/cm² wordt de door straling geïnduceerde donkerstroom voorspeld op $3,0 \pm 0,6$ e⁻/(pix·ms). Dit resultaat komt nauw overeen met de pre-flight productiegegevens ($2,5 \pm 0,4$ e⁻/(pix·ms)), wat de stralingsbestendigheid van de flight-sensoren bevestigt.
  • Annealinggedrag: Significante annealing van roosterdefecten vindt plaats zelfs bij de nominale bedrijfstemperatuur van 213 K. De donkerstroom neemt in de loop van de tijd af met meerdere tijdconstanten variërend van seconden tot miljoenen seconden.
  • Temperatuurbeperkingen: Om de donkerstroomruis binnen aanvaardbare grenzen te houden bij een 500 Hz framerate, moet de sensortemperatuur aan het einde van de levensduur (EOL) onder $(208,9 \pm 1,6)$ K blijven.

• Ioniserende Schade (TID) en Intrinsieke Ruis:

  • Een blootstelling aan 15 Gy TID resulteerde in een gemiddelde drempelspanningverschuiving van 50 mV.
  • Cruciaal is dat de studie identificeerde dat TID een extra ruiscomponent in de DEPFET zelf induceert, die verschilt van de donkerstroom. Deze ruis manifesteert zich als een toename van de intrinsieke DEPFET-ruis (zowel white als 1/f componenten) in plaats van een onmiddellijke piek in de donkerstroom.
  • Thermische Activering: De groei van deze door TID geïnduceerde ruis is thermisch geactiveerd. De ruis blijft minimaal bij 213 K, maar neemt significant toe wanneer de sensor wordt geanneald bij hogere temperaturen (bijv. 242 K of 273 K). De auteurs schrijven dit toe aan de diffusie van gevangen gaten/ionen in de gate-oxide die interface-traps vormen op de Si/SiO₂ grens.

• Evolutie van het Ruisbudget:

  • Onder ~200 K weegt de afname van de donkerstroomruis (door lagere temperatuur) zwaarder dan de toename van de intrinsieke DEPFET-ruis.
  • Echter, als de sensor wordt opgewarmd naar kamertemperatuur voor annealing, neemt de intrinsieke DEPFET-ruis meetbaar toe en herstelt deze niet volledig, wat het totale ruisbudget kan verslechteren.

Betekenis en Operationele Implicaties
Het artikel concludeert dat de flight-production sensoren consistent presteren met eerdere generaties wat betreft stralingsbestendigheid. De belangrijkste operationele bevinding is de noodzaak van een specifiek temperatuurprofiel om een balans te vinden tussen contaminatierisico's en stralingsschade:

1. Vroege Missie (Contaminatiefase): De sensor moet werken bij 213 K om contaminatie te minimaliseren. Bij deze temperatuur wordt de groei van door TID geïnduceerde ruis onderdrukt.
2. Late Missie (Stapeling van Stralingsschade Fase): Naarmate de stralingsschade zich ophoopt, moet de temperatuur geleidelijk worden verlaagd naar 193 K. Deze lagere temperatuur is voldoende om de door straling geïnduceerde donkerstroom te onderdrukken tot een verwaarloosbaar niveau ten opzichte van het totale ruisbudget.
3. Annealingstrategie: De auteurs adviseren tegen het uitvoeren van specifieke hoogtemperatuur-annealingcycli tijdens de missie. Hoewel hogere temperaturen de donkerstroom verder zouden verminderen, zouden ze tegelijkertijd de diffusie van door straling geïnduceerde defecten in de gate-oxide activeren, wat leidt tot een permanente toename van de intrinsieke DEFET-ruis die de voordelen tenietdoet.

De studie biedt een gevalideerd ruisbudget en een aanbevolen temperatuurprofiel (213 K overgaand naar 193 K) om ervoor te zorgen dat de WFI gedurende de gehele levensduur van de NewAthena-missie aan de prestatie-eisen voldoet.