A study of the charge collection, storage and processing in pixelated semiconductor detectors

Die neue Generation beschleunigerbasierter Rontgenquellen, die sogenannten Freien-Elektronen-Laser (FEL), erzeugen ultra-brillante, koharente Rontgenpulse, welche vollig neue experimentelle Moglichkeiten wie beispielsweise die Untersuchung von Nanostrukturen oder das Auflosen struktureller Details von Reaktionsmechanismen eroffnen. Um die Moglichkeiten, die diese neuen Strahlungsquellen bieten, voll ausnutzen zu konnen, benotigt man Detektoren, die die enormen Kontraste, die bei FEL-Experimenten auftreten, auflosen konnen. Bei manchen Experimenten reicht der dynamische Bereich von einzelnen Photonen bis hin zu 100 000 Photonen mit einer Energie von 12 keV pro Pixel und Rontgenpuls. pnCCDs erfullen die Anforderungen, die diese neuen Rontgenquellen an das Detektorsystem stellen, da sie grose Signalladungsmengen mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten konnen. Extrem hohe Photonenintensitaten, konnen jedoch zu einer Sattigung der Pixel und zum Uberlaufen von Signalladung in benachbarte Pixel fuhren. Aufgrund dieses sogenannten Blooming-Effekts geht ein Teil der raumlichen Information bei Beugungsexperimenten verloren und die Probenstrukturen konnen nicht mehr zuverlassig rekonstruiert werden. In dieser Arbeit wird die Sammlung, Speicherung und Verarbeitung von Signalladung in pixelierten Halbleiterdetektoren vom Typ pnCCD untersucht. Fur die experimentellen Untersuchungen wurde ein Laseraufbau konstruiert, der es ermoglicht gezielt unterschiedliche Mengen an Signalladungen in die einzelnen Pixel einzubringen und die Pixelstruktur mit hoher Ortsauflosung abzurastern. Mit Hilfe numerischer Bauelementesimulationen wurden die elektrischen Potentialverhaltnisse im Detektor wahrend der Ladungsspeicherung, -sammlung und dem -transfer untersucht. Basierend auf den experimentellen Daten und den Simulationsergebnissen wurde ein physikalisches Modell fur die Ladungssammlungskapazitat volldepletierter, pixelierter Halbleiterdetektoren aufgestellt. Aufgrund der Ergebnisse konnte die Ladungssammlungskapazitat und damit der dynamische Bereich der pnCCDs deutlich erhoht werden. Des Weiteren wurde untersucht, wie sich uberschussige Ladungen aus der Pixelstruktur entfernen lassen, bevor diese in die Nachbarpixel uberlaufen. Da pnCCDs keine geschlossene Oxidschicht auf der Registerseite haben, steht ein direkter Zugang zum Halbleiter zur Verfugung, uber den uberschussige Ladungen aus dem Bauelement entfernt werden konnen. Es wird untersucht, ob es moglich ist Ladungssenken im elektrischen Potential der pnCCDs durch Anlegen geeigneter Betriebsspannungen zu erzeugen, ohne die Pixelstruktur oder den Herstellungsprozess zu verandern. Dieser neuartige Betriebsmodus eroffnet ein neues Feld im Bereich der Bildgebung mit Photonen, aber auch mit Elektronen und anderen geladenen Teilchen mit hohen Intensitaten. The new generation of accelerator-based X-ray sources, the so-called free electron lasers (FEL), generate extremely intense, coherent and ultra-brilliant radiation in femtosecond pulses that allow to study nano-structures and ultra-fast processes which were previously inaccessable. In order push the limits of the new radiation sources, detectors are needed that can resolve the enormous contrasts in the experimental data reaching from single photons to 100 000 photons with an energy of 12 keV per pixel per pulse. The pnCCD (pn-junction Charge-Coupled Device) meets the challenges of the new light sources since it can handle high radiation intensities at high readout speeds. However, extremely high photon intensities can result in pixel saturation and charge spilling into neighboring pixels. This charge blooming effect reduces the spatial information for FEL diffraction experiments preventing a reliable image reconstruction. In this thesis, the collection, storage and processing of signal charges in the pixelated pnCCD semiconductor detector was studied. Experimentally, a laser setup was designed and built to inject different amounts of charges in individual pixels and to scan the pixel structure with high spatial resolution. Numerical device simulations were used to model the electric conditions inside the detector during charge collection, storage and transfer. The simulation results were compared with the experimental data and both were used to establish a physical model for the charge handling capacity of pixelated detectors based on the full depletion of the semiconductor substrate. The results enabled a significant increase of the charge handling capacity and therefore, the dynamic range of the pnCCDs. Furthermore, it was studied how to remove excess charges from the pixel structure before they spill into neighboring pixels. Since pnCCDs have no closed oxide layer at the register side, there is a direct electric acccess to the semiconductor that allows surplus charges to drain from the device. It was analyzed, if it is possible to establish charge drains in the electric potential of the pnCCD by applying the appropriate operation conditions without modifying the pixel layout or fabrication process. This novel mode of operation opens up a new field in imaging with photons but also with electrons and other charged particles with high intensities.