線陣探測器KLI-2113總劑量輻照性能試驗分析

張 航，劉棟斌

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春 130033)

1 引 言

電荷耦合器件(CCD)在1970年由美國貝爾實驗室首先研制成功。作為MOS技術(shù)延伸而發(fā)展出的一種半導(dǎo)體光電器件［1］，它能夠存儲由入射光在光敏單元激發(fā)出的光信息電荷，并能在適當(dāng)?shù)臅r鐘脈沖驅(qū)動下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸，從而完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)移［2］，最終以收集到的電荷作為信號。因其質(zhì)量輕、體積小、功耗低、動態(tài)范圍大、量子效率高、壽命長等優(yōu)點，被大量應(yīng)用在航天載荷對地觀察、遙感觀測、空間科學(xué)等領(lǐng)域。由于這些環(huán)境存在大量的輻射粒子［3］，所以抗輻射工作越來越受到關(guān)注和重視。從20世紀(jì)70年代起，外國研究機(jī)構(gòu)開始對CCD輻射效應(yīng)進(jìn)行研究［4-5］。CCD受到輻射后主要產(chǎn)生兩種效應(yīng):位移輻射效應(yīng)和電離輻射效應(yīng)［6-7］，其中電離輻射效應(yīng)又包括總劑量效應(yīng)、瞬態(tài)電離效應(yīng)和單粒子效應(yīng)。

Kodak公司的商業(yè)級三線陣探測器KLI-2113具有動態(tài)范圍大、敏感度高、數(shù)據(jù)速度較快以及噪聲低等特點，非常適合應(yīng)用在空間探測領(lǐng)域，所以對它的抗輻照能力的研究尤為重要。本文介紹了基于探測器KLI-2113所設(shè)計的總劑量輻照裝置、試驗方法以及CCD受輻照后的參數(shù)變化，并分析了CCD受輻照后發(fā)生變化的內(nèi)在機(jī)理。

2 輻射試驗過程

2.1 輻射試驗條件

我們選擇放射性強(qiáng)度為5.2×1015Bq(14萬居里)的60Co-γ射線源作為輻射源，輻射劑量率為10 rad(Si)/s，輻射總劑量為30 krad(Si)，分別在5，10，20，30 krad(Si)時對 CCD 進(jìn)行參數(shù)測試，并與初始值進(jìn)行對比。測試內(nèi)容包括暗信號、暗噪聲、固定圖像噪聲、飽和輸出電壓、響應(yīng)度、電荷轉(zhuǎn)移效率、響應(yīng)非均勻性等7項參數(shù)。

三線陣探測器KLI-2113由3條平行的、完全相同的可見光譜段光電二極管陣列組成，每行有2 098個有效像元、12個測試像元以及12個暗像元。探測器單路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 KLI-2113單路結(jié)構(gòu)Fig.1 Single Channel Schematic of KLI-2113

表1 探測器KLI-2113的主要參數(shù)Table1 Main parameters of CCD KLI-2113

從25片探測器KLI-2113中隨機(jī)抽取兩片作為試驗樣品，并編號為1#和2#樣品。大量的試驗表明，CCD探測器在工作狀態(tài)下比不加電狀態(tài)下更容易受到輻射的影響。為了更好地模擬空間中的輻射條件，我們設(shè)計了輻射試驗頭部板和處理板，在輻射過程中為探測器提供偏置電壓以及工作驅(qū)動時序(探測器偏置原理圖如圖2所示)，使得兩片試驗探測器保持典型工作狀態(tài)。其中頭部板連同試驗探測器暴露在60Co-γ射線環(huán)境中，處理板由10 cm厚的鉛磚屏蔽。

圖2 KLI-2113線陣CCD輻照偏置原理圖Fig.2 Application diagram of KLI-2113 for radiation test

2.2 試驗方法與過程

我們依據(jù)GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中1019.2電離輻射(總劑量)試驗程序進(jìn)行試驗。首先在屏蔽良好的輻射場對1#、2#探測器進(jìn)行輻射，將輻照試驗用的處理板放置在鉛磚防護(hù)空間內(nèi)，將通過電纜連接的樣片及頭部板放置在劑量率為10 rad(Si)/s的合適位置，進(jìn)行5 krad(Si)的輻照試驗。輻射后，分別對1#、2#探測器在無輻射的實驗室中按要求進(jìn)行7項參數(shù)測試，要求測試時間不超過40 min。重復(fù)該過程，直至分別完成10，20，30 krad(Si)的輻照試驗及測試［8］。實驗流程圖以及輻射后的參數(shù)測試圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 輻射過程框圖Fig.3 Block diagram of radiation process

圖4 輻射后進(jìn)行參數(shù)測試框圖Fig.4 Block diagram of parameter testing after radiation

3 結(jié)果與討論

3.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗中測得的1#、2#探測器的7項參數(shù)如表2和表3所示。

表2 1#樣品試驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of No.1 sample

表3 2#樣品試驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of No.2 sample

續(xù)表3

圖5 樣品暗信號隨總輻射劑量的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.5 Changes of dark signal with the total dose radiation of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

3.2 參數(shù)分析

由1#和2#探測器樣品的試驗數(shù)據(jù)可以看出，兩個樣品的變化趨勢基本一致。據(jù)此認(rèn)為測量數(shù)據(jù)真實有效，可以表征探測器KLI-2113受總劑量輻照后的參數(shù)變化。

3.2.1 暗電流

暗電流是指CCD在沒有感光也沒有其他形式注入信號的情況下輸出的電流。從圖中可以看出，隨著輻射總劑量的提高，探測器KLI-2113的暗信號逐漸提高，這是因為總劑量損傷破壞了Si和SiO2之間的周期晶格結(jié)構(gòu)，在CCD內(nèi)部的電極和柵氧化層之間形成陷阱電荷，進(jìn)而導(dǎo)致高密度界面態(tài)(處在價帶和導(dǎo)帶之間的禁帶中的中間能級)的產(chǎn)生。這些界面態(tài)在CCD表面很容易產(chǎn)生熱電子-空穴對，由于這些熱電子-空穴對的出現(xiàn)，暗電流將增大［9-10］。試驗中用暗信號的變化來表征暗電流的變化。在無光照條件下，探測器的輸出信號隨積分時間線性增加，通過改變積分時間，測量對應(yīng)的輸出信號，然后以積分時間為橫坐標(biāo)，輸出信號為縱坐標(biāo)，按最小二乘法［11］，擬合出一條直線，該直線的斜率定義為探測器在單位時間的暗信號。暗信號隨總劑量的變化如圖5所示。

圖6 暗場情況下，加電10 min后的CCD輸出。Fig.6 Output of CCD in dark after 10 min

當(dāng)總劑量達(dá)到30 krad(Si)時，在無輻射場的實驗室中測量發(fā)現(xiàn)暗信號突然增大，并且隨著加電時間的增加，CCD輸出的勢阱從12個測試像元開始，逐一向后變大，直至所有像元變成飽和，如圖6所示。這是由于位移輻射在CCD的Si禁帶內(nèi)誘發(fā)體缺陷產(chǎn)生，進(jìn)而形成新的產(chǎn)生復(fù)合中心，導(dǎo)致暗電流尖峰出現(xiàn)［12］。

3.2.2 電荷轉(zhuǎn)移效率(CTE)

從表1和表2中可以看出，CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率隨著輻射劑量的增加而降低。CTE是CCD的重要指標(biāo)參數(shù)。在理想狀態(tài)下，近似認(rèn)為一個勢阱中的電荷包可以完全、快速的轉(zhuǎn)移到下一個勢阱中;但是在實際工作中，電荷包在勢阱之間的轉(zhuǎn)移都是有損失的。KLI-2113未經(jīng)輻射時，CTE可以達(dá)到0.999 98～0.999 99;CCD 受輻射后，在電荷轉(zhuǎn)移過程中，溝道中由輻射損傷誘發(fā)的缺陷將俘獲一部分電荷包里的載流子，有時候被俘獲的載流子將被釋放到下一個電荷包中，而不是原來的電荷包，因此輻射會造成電荷轉(zhuǎn)移損失［10］。由于電荷轉(zhuǎn)移損失，導(dǎo)致CCD的響應(yīng)度(圖7)和飽和輸出電壓(圖8)也要相應(yīng)地隨輻射總劑量的增大而減小。

圖7 樣品相對響應(yīng)度的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.7 Change of relative response of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

圖8 樣品CCD飽和輸出的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.8 Change of saturation output of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

3.2.3 暗噪聲和固定圖像噪聲

圖9 樣品暗噪聲的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.8 Change of dark noise of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

由于MOS器件本身的特點，界面態(tài)陷阱電荷和氧化物陷阱電荷的增加，都會導(dǎo)致平帶電壓(VFB)發(fā)生變化。對于CCD，當(dāng)它在一定的偏置電壓處工作時，如果平帶電壓發(fā)生漂移，受影響最大的就是輸出放大電路［13］。平帶電壓漂移可以引起閾值電壓(Vth)發(fā)生漂移，它們都隨著輻射總劑量增加而增大。當(dāng)閾值電壓漂移很大時，說明已經(jīng)有大量的界面態(tài)出現(xiàn)。平帶電壓和閾值電壓發(fā)生偏移將導(dǎo)致CCD轉(zhuǎn)移寄存器的最佳工作偏置電壓偏移［14］，CCD輸出放大器非線性工作，讀出噪聲增加。暗噪聲隨總劑量增加的變化如圖9所示。

4 結(jié) 論

為了測試Kodak公司的線陣CCD探測器KLI-2113的抗輻射能力，設(shè)計了60Co-γ總劑量輻射裝置，對CCD樣片進(jìn)行總劑量為30 krad(Si)的輻照試驗。隨著輻射劑量的增加，CCD的暗電流增加，電荷轉(zhuǎn)移效率降低，進(jìn)而導(dǎo)致CCD的響應(yīng)度和飽和輸出電壓降低;此外，平帶電壓和閾值電壓的漂移使暗噪聲和圖像噪聲變大。KLI-2113在總劑量20 krad(Si)以下時，主要參數(shù)指標(biāo)受輻射影響下降;當(dāng)總劑量達(dá)到30 krad(Si)時，CCD完全失效。在探測器已經(jīng)確定的情況下，建議采用附加屏蔽的辦法進(jìn)行加固，即采用抗輻射材料加固器件以及在外殼和架構(gòu)上的鋁板外涂覆抗輻射材料以加強(qiáng)對輻射的屏蔽［15］。

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