Development of DEPFET sensors with advanced functionality for applications in X-ray astronomy

Abstract

Athena is ESA’s next generation observatory for X-ray astronomy. One of its two focal-plane instruments is the WFI, a large area, pixelated silicon-detector for imaging spectroscopy that will provide an unmatched field of view and the capability to observe even brightest radiation sources with high throughput. The WFI’s sensor will be based on the combined sensor-amplifier structure DEPFET. This concept provides a high flexibility in terms of device readout and permits to add various functional features into each pixel of the detector. It is for instance, possible to implement a pixel wise electronic shutter and furthermore, provide every pixel with an additional storage area. In this thesis, these DEPFET concepts with enhanced functionality are evaluated with respect to a potential use as building block for Athena’s WFI. The focus was thereby on the application of a DEPFET based sensors as high count rate spectrometer and the influence and mitigation of readout artifacts on the spectral response of the sensor. To improve the understanding of the different concepts, a series of device simulations was carried out. Parts of these simulations were used as input for the layout of novel devices. To study the properties of the different DEPFET devices, a flexible measurement setup was designed, assembled and operated. With that setup, the properties of different DEPFETs were investigated. Especially time dependent readout artifacts were studied and models to describe these were developed. In the course of this thesis it was furthermore possible to confirm the basic functionality of the first devices providing an additional storage area. Based on the device simulations as well as measurements, spectral simulations were conducted. These show that a DEPFET is capable to do spectroscopy even at fastest timings. However, the spectral performance will deteriorate drastically due to readout artifacts. While the pixel-wise built-in shutter provides good spectral response it severely limits the throughput at fast timings due to the required deadtime. An additional storage area provides both, good spectral performance and high throughput even at fastest timings.

Athena ist das nächste große Observatorium für Röntgenastronomie der ESA. Eines der zwei Instrumente in Athenas Fokalebene ist der WFI, ein großflächiger, pixelierter Silizium Sensor für ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie, der gleichzeitig ein bisher nicht erreichtes Gesichtsfeld und höchste Zählratenfähigkeit bietet. Der Sensor des WFI basiert auf der kombinierten Sensor-Verstärker Struktur DEPFET. Neben der hohen Flexibilität bezüglich der Auslese, ist es möglich verschiedenste zusätzliche Eigenschaften in jeden Pixel eines größeren Sensors zu Implementieren. So ist es zum Beispiel möglich jeden Pixel mit einer elektronischen Blende zu versehen. Diese kann außerdem um einen Speicherbereich für Elektronen erweitert werden. In dieser Arbeit wurden diese verbesserten DEPFET Konzepte in Hinblick auf einen Einsatz für den WFI untersucht. Der Fokus wurde dabei auf die Anwendung eines DEPFET-basierten Sensors als Hochzählratenspektrometer gelegt. Insbesondere wurden Ausleseartefakte und Möglichkeiten zur Unterdrückung dieser untersucht. Zum besseren Verständnis der verschiedenen Konzepte wurden Device Simulationen durchgeführt. Teile dieser Simulationen wurden für das Design von neuartigen Sensor Strukturen verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein flexibler Messaufbau designet, aufgebaut und genutzt um die verschiedenen Sensorstrukturen zu vermessen. Insbesondere wurden Zeitabhängige Ausleseartefakte untersucht und Modelle um diese zu beschreiben erarbeitet. Im Rahmen dieser Messungen wurde außerdem die grundsätzliche Funktionalität der ersten DEPFET Prototypen mit eingebautem Speicherbereich nachgewiesen. Basierend auf Device-Simulationen und Messergebnissen wurden spektrale Simulationen angefertigt. Diese zeigen, dass ein DEPFET Sensor auch bei hohen Frame-Raten als Spektrometer genutzt werden kann. Aufgrund der hohen Wahrscheinlichkeit für Auslesartefakte verschlechtern sich jedoch die spektroskopischen Eigenschaften. Durch einen eingebauten Shutter, wird eine Beeinflussung der spektroskopischen Eigenschaften verhindert, jedoch ist der Durchsatz einer solchen Struktur bei schnellem Betrieb durch die auftretende Totzeit limitiert. Durch einen zusätzlichen Speicherbereich, wird diese Totzeit vermieden und eine gute spektrale Auflösung mit hohen Durchsatz ermöglicht.