面陣CCD時(shí)序抗彌散方法研究

董龍 李濤

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

在遙感相機(jī)成像時(shí)，目標(biāo)景物的對(duì)比度差別很大，比如地面目標(biāo)和云層的亮度差別甚至可以達(dá)到1000倍以上，這樣由云層造成的彌散現(xiàn)象，通常會(huì)影響四周的景物，特別是垂直方向上的目標(biāo)景物。為了消除這種彌散現(xiàn)象，通常采用抗彌散技術(shù)。

CCD抗彌散通常采用硬件方式，包括了電極型側(cè)面抗彌散(Lateral Anti blooming Gate)、植入型側(cè)面抗彌散(Lateral Anti blooming Implant)和垂直抗彌散(Vertical Anti blooming)。前兩種側(cè)面抗彌散是在像元側(cè)面制作電荷傾瀉溝道，這樣通常會(huì)降低像元的填充率，從而減小像元感光面積；而垂直抗彌散由于工藝問(wèn)題，器件抗高能粒子輻射能力有限，通常不應(yīng)用到航天相機(jī)上。另外，以上三種方法在工藝制作上都需要增加3～4道工序，會(huì)進(jìn)一步降低器件成品率，增加器件成本。

時(shí)序抗彌散(Clock Anti blooming，CAB)技術(shù)是在不改變CCD硬件結(jié)構(gòu)的前提下，充分利用面陣CCD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)成像區(qū)的時(shí)序控制，來(lái)實(shí)現(xiàn)抗彌散功能。該技術(shù)成本低，可操作性強(qiáng)，特別是對(duì)于航天相機(jī)器件無(wú)法更換的特點(diǎn)，通過(guò)該方法，可以使無(wú)抗彌散功能的CCD器件增加抗彌散功能。

2 時(shí)序抗彌散技術(shù)原理

時(shí)序抗彌散技術(shù)是通過(guò)在曝光時(shí)間執(zhí)行特殊的時(shí)序驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)所要求的高電平偏置和低電平偏置，與通常的時(shí)序偏置也不相同。該技術(shù)利用了CCD工藝制作上的若干特點(diǎn)，包括CCD表面態(tài)俘獲、n溝道CCD電荷存儲(chǔ)特性、飽和彌散的兩種方式和低電平翻轉(zhuǎn)態(tài)特點(diǎn)。

在表面型CCD上，時(shí)序電極與Si材料之間有一層絕緣的SiO2介質(zhì)，這個(gè)氧化層對(duì)外呈陽(yáng)性，光生電子會(huì)被吸附到表面上，這樣在電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，這些吸附電子就會(huì)滯留在CCD內(nèi)，從而降低電荷的轉(zhuǎn)移效率，另外這些吸附電子隨著時(shí)間會(huì)慢慢釋放出來(lái)，污染后續(xù)的成像過(guò)程，這種現(xiàn)象被稱為量子效率延滯（QEH）。為了消除這種現(xiàn)象，埋溝型CCD技術(shù)被廣泛采用，該技術(shù)是在P型Si襯底沉積一層N型半導(dǎo)體，如圖1所示。當(dāng)電極電壓為高電平，未收集到電荷時(shí)，電勢(shì)曲線Pempty如圖2。

隨著深度的不斷深入，電勢(shì)會(huì)在n溝道內(nèi)達(dá)到電勢(shì)最大值Pmax，之后由于P區(qū)耗盡區(qū)域的影響，電勢(shì)逐漸降低到襯底電壓。當(dāng)光生電荷產(chǎn)生時(shí)，電子會(huì)根據(jù)電勢(shì)分布的高低向電勢(shì)最高的地方移動(dòng)，收集到部分電荷時(shí)，電極降為Pφ所示曲線。這樣電子就在n溝道內(nèi)部收集和轉(zhuǎn)移，避免了表面態(tài)俘獲，從而降低了量子效率延滯現(xiàn)象。

在圖2中，當(dāng)電極為低電平時(shí)，電勢(shì)如圖中Plow所示，Pφ與Plow之間的電勢(shì)差構(gòu)成電荷壁壘，阻止電荷在像元間移動(dòng)。CCD表面電勢(shì)Psf隨著電極電壓的降低而線形降低，但是，當(dāng)表面勢(shì)降到一個(gè)臨界點(diǎn)的時(shí)候就不再隨著電極電壓的降低而降低，稱這個(gè)電壓臨界點(diǎn)為翻轉(zhuǎn)電壓Vinv。表面勢(shì)隨電極電壓變換曲線如圖3所示。

圖3 表面勢(shì)隨電極電壓變化曲線Fig.3 Relation curves of surface potential vs electrode voltage

當(dāng)電極電壓VG＜-4V時(shí)表面勢(shì)基本保持不變，-4V電壓就稱為翻轉(zhuǎn)電壓Vinv。此時(shí)表面勢(shì)Psf等于襯底電勢(shì)，當(dāng)電極電壓繼續(xù)降低時(shí)，會(huì)從面陣CCD列間溝阻中吸引出空穴，吸附在CCD的SiO2/Si分界面上，從而保持表面電勢(shì)恒定。

光生電荷存儲(chǔ)在n溝道電勢(shì)最大處，隨著光生電荷的增多，電勢(shì)會(huì)逐漸降低，在勢(shì)阱飽和之前會(huì)有兩種狀態(tài)，分別是：彌散型飽和(Bloomed FullWell，BFW)和表面型飽和(Surface FullWell，SFW)。

彌散型飽和狀態(tài)如圖4所示，當(dāng)電極高電平比較低時(shí)，隨著勢(shì)阱內(nèi)電荷的積累，電勢(shì)逐漸降低，在電荷未接觸表面時(shí)，已經(jīng)達(dá)到隔離電極的最大電勢(shì)，這時(shí)，電荷就會(huì)跨過(guò)隔離電極，彌散到周邊像元。

圖4 彌散型飽和Fig.4 Bloomed FullWell

表面型飽和狀態(tài)如圖5所示，在電荷彌散之前，已經(jīng)接觸到SiO2/Si表面，被表面所俘獲。隨著電荷的繼續(xù)增加，彌散現(xiàn)象隨后才會(huì)出現(xiàn)。CCD的飽和模式屬于彌散型飽和還是表面型飽和，是由像元驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的高電平偏置所決定，高電平較低時(shí)屬于彌散型飽和。

圖5 表面型飽和Fig.5 Surface FullWell

時(shí)序抗彌散就是利用CCD的以上特點(diǎn)，采用時(shí)序控制的方式實(shí)現(xiàn)抗彌散功能，其驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘時(shí)序如圖6所示：

圖6 CAB技術(shù)時(shí)序Fig.6 CAB clocking setup

從以上描述可以看出，CAB實(shí)現(xiàn)依賴兩個(gè)條件：1)偏置條件，高電平偏置必須保持在SFW區(qū)域內(nèi)，從而使多余電子不是彌散到相鄰像元而是吸附在SiO2/Si表面，低電平要保持在翻轉(zhuǎn)電平之下，從而保證能從溝阻中吸引空穴，使電子-空穴復(fù)合；2)頻率條件，必須保證足夠的驅(qū)動(dòng)時(shí)序頻率從而使電子復(fù)合速度要大于光生電子速度，有效抑制彌散產(chǎn)生。

某公司研制CCD產(chǎn)品采用CAB后效果圖如圖7所示，由于高亮燈光造成的彌散，使得整個(gè)列方向的圖像都達(dá)到飽和，見圖7(a)。采用CAB技術(shù)后，彌散現(xiàn)象得到控制，見圖7（b）。

圖7 采用CAB前后效果對(duì)比Fig.7 Blooming characteristicsw ith and w ithoutCAB

3 CAB工作參數(shù)測(cè)試方法

為使CAB技術(shù)實(shí)現(xiàn)，需要確定CCD器件高電平處于SFW區(qū)域且低電平低于Vinv，以及在曝光周期中CAB時(shí)序的頻率。

（1）高電平SFW區(qū)域標(biāo)定測(cè)試

測(cè)試步驟如下：首先將CCD表面上半部分進(jìn)行遮擋，然后采用均勻光照射CCD表面，采一幀圖像，可以確定遮擋位置；然后調(diào)整均勻光的光照條件，如果某一幀圖像遮擋位置上移，說(shuō)明該光照條件下CCD產(chǎn)生了彌散。保持該光照條件，調(diào)整CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的高電平，從低電平逐漸調(diào)高，CCD輸出信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著驅(qū)動(dòng)電平變化，見圖8。

圖8 滿阱容量隨驅(qū)動(dòng)電平變化曲線Fig.8 Bloomed FullWell as a function of driving level

（2）低電平偏置標(biāo)定測(cè)試

CAB要求時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)低電平小于翻轉(zhuǎn)電壓Vinv，但是在器件封裝后無(wú)法測(cè)量，因?yàn)樾枰獪y(cè)量CCD襯底材料的電壓，所以只能在器件制造過(guò)程中由制造商進(jìn)行測(cè)量。

如圖9所示，由于輸出電極(Output Transfer Gate，OTG)與驅(qū)動(dòng)電極結(jié)構(gòu)相同，所以其電氣特性與驅(qū)動(dòng)電極相同，而VREF受表面勢(shì)限制，與表面勢(shì)呈線性關(guān)系，所以曲線與電極電壓-表面勢(shì)曲線（圖3）具有完全相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)曲線的拐點(diǎn)可以確定出電極的翻轉(zhuǎn)電壓Vinv。

圖9 CCD輸出端結(jié)構(gòu)Fig.9 The structure of CCD output

另一種更簡(jiǎn)單的方法，器件廠商給出的垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)低電平，通常采用公式計(jì)算得到，其中為垂直轉(zhuǎn)移低電平，所以。

（3）CAB時(shí)序頻率標(biāo)定測(cè)試

CAB頻率標(biāo)定過(guò)程見圖10。

圖10 CAB頻率標(biāo)定過(guò)程圖例Fig.10 Illustration for CAB frequecy calibration procedure

在圖10中，首先將CCD面陣遮擋上半部分或下半部分，用于界定彌散是否發(fā)生。在時(shí)刻①CCD快門關(guān)閉，CCD勻速讀出。時(shí)刻②打開快門，用均勻光照射CCD表面，光照強(qiáng)度保證CCD處于彌散狀態(tài)，同時(shí)將CCD勻速讀出，斜率表示光生電子速率（-e/s）。時(shí)刻③關(guān)閉快門，并清除CCD內(nèi)殘余電荷。時(shí)刻④加載CAB時(shí)序，并打開快門。時(shí)刻⑤正常讀出CCD數(shù)據(jù)。時(shí)刻⑥從小到大調(diào)整CAB時(shí)序頻率直到找到合適的頻率為止，圖10中當(dāng)每個(gè)曝光周期進(jìn)行2次時(shí)，仍然處于彌散狀態(tài)，4次首先達(dá)到抗彌散要求，于是可以計(jì)算出每次消除電荷速率（-e/(s·次)）。

在CCD曝光時(shí)，可以根據(jù)標(biāo)定的電荷消除速率，計(jì)算曝光周期內(nèi)CAB時(shí)序頻率。

4 CAB使用范圍及限制條件

時(shí)序抗彌散效果是由每個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)可運(yùn)行CAB時(shí)序頻率來(lái)決定。預(yù)實(shí)現(xiàn)抗彌散倍數(shù)根據(jù)實(shí)際需要決定CAB時(shí)序頻率。

時(shí)序抗彌散技術(shù)可以在CCD器件無(wú)抗彌散功能時(shí)，通過(guò)時(shí)序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)抗彌散功能，對(duì)于全幀CCD和幀轉(zhuǎn)移CCD都可以使用；對(duì)于TDICCD，由于采用CAB后圖像信號(hào)會(huì)發(fā)生前后移動(dòng)，造成與延遲積分的二次圖像的非同步問(wèn)題，影響圖像效果。該技術(shù)一定程度上增加了時(shí)序電路的復(fù)雜性，同時(shí)改變電平偏置，也容易產(chǎn)生器件氧化絕緣層的擊穿，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程需要小心控制。

時(shí)序抗彌散技術(shù)適用于慢速掃描應(yīng)用，并且在閃光燈照明情況下不起作用。同時(shí)，只有在垂直轉(zhuǎn)移為三相或四相的情況下才能使用，而兩相垂直轉(zhuǎn)移，無(wú)法構(gòu)成電荷壁壘，同時(shí)也無(wú)法驅(qū)動(dòng)到表面滿阱狀態(tài)。

應(yīng)該注意的是，時(shí)序抗彌散技術(shù)會(huì)降低CCD的滿阱容量，圖8所示，相對(duì)于器件正常工作的最大滿阱容量而言，高電平偏置越大，抗彌散效果越好，同時(shí)滿阱容量也越低，CCD的動(dòng)態(tài)范圍隨之減小。

另外，采用CAB技術(shù)相當(dāng)于提高了垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)頻率，所以會(huì)進(jìn)一步提高面陣垂直轉(zhuǎn)移時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)的功率，增加系統(tǒng)功耗。同時(shí)垂直轉(zhuǎn)移效率也會(huì)受到影響。

所以在采用CAB技術(shù)要綜合評(píng)估抗彌散特性、動(dòng)態(tài)范圍、轉(zhuǎn)移效率、功耗等因素，從而使系統(tǒng)性能得到進(jìn)一步優(yōu)化。

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