電離輻照誘發(fā)面陣電荷耦合器暗信號增大試驗

王祖軍 羅通頂 楊少華 劉敏波 盛江坤

（西北核技術研究所強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，西安710024）

1 引言

電荷耦合器件（CCD）是航天器成像系統(tǒng)中的核心元器件，星載CCD在空間軌道環(huán)境中應用時，會受到空間粒子或射線引起的輻照損傷影響。在低地球軌道環(huán)境中，空間輻射總劑量在10-3～10-2kGy（Si）／年；在中高地球軌道環(huán)境中，空間輻射總劑量高達0.1～1.0kGy（Si）／年。輻照損傷會誘發(fā)CCD暗信號增大，嚴重時甚至出現(xiàn)CCD像元勢阱被暗信號電荷充滿，從而導致功能失效。輻照損傷誘發(fā)產(chǎn)生的暗信號對科學級成像CCD的影響尤為突出，特別是在空間天文學中應用的CCD需要有較長的曝光時間，以便能探測到宇宙空間中的微弱信號，而輻照損傷誘發(fā)產(chǎn)生的大量暗信號會導致整個空間探測任務失敗?；诘孛婺M輻照試驗的研究結果對預估空間輻射環(huán)境中在軌工作的電子系統(tǒng)可靠性具有重要價值。

國內(nèi)外開展線陣CCD的輻照損傷效應研究較多，相關文獻已報道了開展線陣CCD質子[1]、中子[2]、電子[3]和γ射線[4-6]輻照的試驗規(guī)律及損傷機理研究，但國內(nèi)關于面陣CCD輻照效應試驗研究的報道很少，僅少量開展了輻照試驗[7]。與線陣CCD相比，面陣CCD結構更復雜，引起暗信號增大的因素更多。目前國內(nèi)外關于輻照誘發(fā)面陣CCD暗信號增大及其退火規(guī)律的試驗研究報道較少。

面陣CCD的暗信號對電離輻照損傷特別敏感。鑒于索尼ICX285AL面陣CCD是國內(nèi)在成像系統(tǒng)中應用廣泛的一款商用科學級CCD芯片，其輻照效應試驗研究的結果將對國內(nèi)成像系統(tǒng)應用設計具有一定的參考價值。本文通過開展索尼ICX285AL面陣CCD的60Coγ射線總劑量輻照效應試驗，分析了電離輻照誘發(fā)面陣CCD暗信號增大的試驗規(guī)律；闡述了電離損傷誘發(fā)面陣CCD暗信號增大的物理機制。

2 試驗與測試方法

面陣CCD電離輻照效應試驗在抗輻射加固專用60Coγ射線源上開展。60Coγ射線源的光子能量為1.25MeV，源的不確定度為2.5%。輻照試驗樣品為索尼ICX285AL商用科學級面陣CCD。輻照劑量率為0.1Gy（Si）／s，分別在總劑量為0.05、0.10、0.15、和0.20kGy（Si）時進行離線測試。通過輻照板提供給被輻照器件偏置電壓，選擇兩種偏置狀態(tài)對CCD進行總劑量輻照試驗，即不加偏置電壓狀態(tài)和加15V偏置電壓狀態(tài)，其中A07＃CCD加偏置輻照，A08＃CCD不加偏置輻照，A07＃和A08＃CCD的生產(chǎn)批號均為132JEYK。輻照試驗和退火測試方法參考國軍標GJB548B微電子器件試驗方法和程序及美軍標MIL-STD-883H，采用方法1 019.8、電離輻照試驗程序。

在無光照條件下，CCD的輸出信號會隨積分時間線性增加。在規(guī)定條件下，通過改變器件的積分時間，測試對應積分時間下的輸出信號，然后以積分時間為橫坐標，輸出信號為縱坐標，由測試數(shù)據(jù)給出散點圖，并按最小二乘法擬合出一條直線，該直線的斜率KD即為器件單位時間的暗信號。

測試暗信號按下列步驟進行：

1）連接測試系統(tǒng)，給器件加上規(guī)定的電源電壓，使器件處于正常工作狀態(tài)；

2）通過圖像采集軟件采集圖像數(shù)據(jù)，開始測試參數(shù)；

3）在無光照時，增大積分時間，對每次積分值采集F幀，計算所選積分像元區(qū)域內(nèi)的輸出信號（平均灰度值），并把輸出信號與積分時間繪入關系曲線上；

4）按照最小二乘法計算輸出信號與積分時間的直線方程系數(shù)，得到直線的斜率KD；需要計算器件的暗信號電壓VD時，可按公式（1）計算。

式中VD為器件的暗信號；T為器件的積分時間。

面陣CCD在輻照試驗測試時，積分時間選取8個，分別為115.76、127.69、139.62、151.55、163.48、175.41、187.34和199.27ms，然后按照最小二乘法計算輸出信號與積分時間的直線方程系數(shù)，得到直線的斜率，即暗信號斜率KD。取積分時間為199.27ms時，計算出VD。

3 試驗結果與分析

3.1 暗信號

CCD的暗信號是指CCD在既無光注入又無其他方式注入信號電荷的情況下輸出的信號。輻照前，CCD的暗信號主要由3部分組成：耗盡層內(nèi)的載流子產(chǎn)生的暗信號；襯底內(nèi)的載流子產(chǎn)生的暗信號；Si／SiO2界面產(chǎn)生-復合中心產(chǎn)生的暗信號。輻照后，電離損傷破壞了CCD內(nèi)電極、柵氧化層以及Si／SiO2界面的脆弱聯(lián)系后，導致輻射感生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)產(chǎn)生，這些氧化層陷阱電荷和界面態(tài)位于半導體能帶的禁帶中，促進了電子通過熱運動由價帶躍遷到導帶，使CCD的暗信號增大。

A07＃CCD加偏置輻照后，在不同總劑量下面陣CCD輸出一幀暗場圖像中各像元的平均灰度值隨積分時間的變化如圖1所示。圖1中縱坐標平均灰度值的單位均為ADU，ADU代表一個數(shù)字量化單位?？梢钥吹?，輻照后面陣CCD輸出一幀暗場圖像中各像元的平均灰度值隨積分時間增大而增大，且總劑量越大，增大趨勢越明顯。A08＃CCD不加偏置輻照后，在不同總劑量下面陣CCD輸出一幀暗場圖像中各像元的平均灰度值在輻照后隨積分時間的變化如圖2所示?？梢钥吹?，輻照后，面陣CCD相機輸出一幀暗場圖像中各像元的平均灰度值也隨積分時間增大而增大，且總劑量越大，增大趨勢越明顯。

圖1 A07＃CCD暗場像元的平均灰度值隨積分時間的變化Fig.1 Average gray-scale value of dark field versus integration time at the A07＃CCD during irradiation

圖2 A08＃CCD暗場像元平均灰度值隨積分時間的變化Fig.2 Average gray-scale value of dark field versus integration time at the A08＃CCD during irradiation

面陣CCD的基本結構主要包括3部分：光敏區(qū)、轉移區(qū)和輸出放大區(qū)（見圖3）。圖3中面陣CCD的結構設計原理是采用逐行掃描輸出的行間轉移結構，其光敏區(qū)和轉移區(qū)（包括縱向轉移和橫向轉移）陣列由MOS型陣列結構組成，受電離輻照后，CCD柵氧化層內(nèi)因能量沉積而產(chǎn)生電子-空穴對，這些輻射感生的電子和空穴在經(jīng)歷初始復合后，剩余的空穴一部分被SiO2中的深空穴陷阱俘獲形成氧化層陷阱電荷；一部分在外電場作用下在SiO2中向Si／SiO2界面漂移，在Si／SiO2界面形成輻射感生界面態(tài)。輻射感生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)密度在達到飽和前，隨總劑量增大而增大。輻射感生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)誘發(fā)產(chǎn)生的暗信號使面陣CCD像元勢阱中的電荷量增多，因而導致面陣CCD輸出一幀暗場圖像中各像元的平均灰度值在輻照后增大。試驗結果表明星載CCD在空間軌道中運行時，也會隨著在軌時間累積導致總劑量增大，誘發(fā)面陣CCD相機暗信號增大，影響圖像質量。

氧化層陷阱和界面態(tài)在半導體能帶的禁帶中形成的缺陷能級促進了熱產(chǎn)生電子-空穴對，從而使暗信號增大。根據(jù)圖1和圖2中試驗測試數(shù)據(jù)擬合計算可得到的輻照前后KD隨總劑量增大的變化數(shù)據(jù)。劑量率為0.1Gy（Si）／s時，不同輻照偏置條件下KD隨總劑量增大而增大的變化關系如圖4所示?？梢钥吹?，當總劑量低于0.1kGy（Si）時，相同總劑量下，加偏置輻照后的KD與不加偏置輻照時相當，這是由于在該劑量率輻照下，當總劑量較小時，輻照損傷不明顯；當總劑量高于0.1kGy（Si）時，相同總劑量下，加偏置輻照時的KD明顯大于不加偏置輻照時的KD，這是由于加偏置電壓時，電場對氧化層中非復合空穴的初始產(chǎn)生以及氧化層中產(chǎn)生電荷的遷移率有影響。不加偏置電壓時，電子-空穴對復合增加，從而使被氧化層俘獲的因輻射誘發(fā)產(chǎn)生的空穴要少一些，對Si／SiO2界面處的界面態(tài)產(chǎn)生起重要作用的氫離子也少一些，因而暗信號增大程度也比加偏置電壓時小，當總劑量較低時，電離輻射誘發(fā)的電子-空穴對濃度要小一些，當總劑量較高時，電離輻射誘發(fā)的電子-空穴對濃度較大，因而加偏置電壓帶來的影響也更顯著。劑量率為0.1Gy（Si）／s，積分時間為199.27ms時，不同輻照偏置條件下VD隨總劑量增大而增大的變化關系如圖5所示。試驗結果還表明，當CCD受輻照總劑量達0.20kGy（Si）后，該面陣CCD性能已經(jīng)受到嚴重影響，成像質量嚴重退化。

圖3 面陣CCD芯片結構示意圖Fig.3 Block diagram and pin configuration of the array CCD

面陣CCD的信號電荷需要在光敏區(qū)先轉移到縱向轉移寄存器，然后在縱向時序脈沖驅動電路作用下開始縱向轉移，本文中面陣CCD的信號電荷是以行間轉移的方式轉移到橫向轉移寄存器，再在橫向時序脈沖驅動電路作用下依次進行橫向轉移，直到信號經(jīng)過放大器輸出（見圖3）。較線陣CCD僅進行橫向轉移相比，面陣CCD的驅動時序需要同時滿足縱向驅動和橫向驅動，面陣CCD的結構和時序脈沖驅動電路要更復雜，導致輻照誘發(fā)產(chǎn)生暗信號的因素增多?？倓┝枯椪諏е旅骊嘋CD的MOS型陣列結構的平帶電壓和閾值電壓漂移，對光敏區(qū)和轉移區(qū)的耗盡層（空間電荷區(qū)）大小產(chǎn)生影響，從而使輻照后面陣CCD像元勢阱中的暗信號增大，暗信號不均勻性也隨之增大。相比較而言，由于線陣CCD結構相對簡單，輻射誘發(fā)線陣CCD產(chǎn)生的暗信號的因素要少一些，而面陣CCD產(chǎn)生暗信號的區(qū)域不僅包含橫向轉移區(qū)，而且包含縱向轉移區(qū)。

圖4 暗信號斜率 （KD）隨總劑量的變化Fig.4 Dark signal slope（KD）versus the total dose

圖5 暗信號電壓 （VD）隨總劑量的變化Fig.5 Dark signal voltage（VD）versus the total dose

電子元器件受電離輻照時，選取的不同輻照劑量率有時也會對輻照損傷帶來影響，大量文獻報道了雙極器件在低劑量率輻照下出現(xiàn)低劑量率增強效應（ELDRS），一般認為雙極器件的ELDRS顯著，MOS型器件沒有表現(xiàn)出ELDRS。CCD作為一種以MOS陣列耦合成像的光電圖像傳感器，其是否具有ELDRS，目前尚無定論，國內(nèi)有單位通過開展商用線陣CCD試驗認為CCD不存在ELDRS，而是一種時間相關性效應（TDE）[4]；國外有研究機構通過開展線陣CCD試驗認為CCD存在類似的ELDRS[8]。為此，開展了面陣CCD不同劑量率輻照的初步試驗，輻照劑量率分別選取0.000 1、0.000 3、0.001、0.01、0.1和0.5Gy（Si）／s，初步的試驗結果如圖6所示。圖6給出了總劑量為0.2kGy（Si）時，面陣CCD在不加偏置輻照條件下VD隨劑量率的變化。初步的試驗結果表明：劑量率從0.5Gy（Si）／s減小到0.001Gy（Si）／s時，呈低劑量損傷增強趨勢；從0.001Gy（Si）／s減小到0.000 1Gy（Si）／s時，卻呈低劑量損傷減弱趨勢。通過等時退火測試比較，不同劑量率損傷差異仍然呈現(xiàn)上述規(guī)律。初步試驗結果所呈現(xiàn)的現(xiàn)象仍需要進一步開展一系列相關輻照試驗確認。由于面陣CCD結構復雜，面陣CCD芯片內(nèi)部集成的輸出放大結構易受電離輻照損傷影響，且無法對集成在芯片里的輸出放大電路進行輻照屏蔽，導致面陣CCD測試參數(shù)受芯片內(nèi)部輸出放大電路輻照損傷的影響。面陣CCD芯片內(nèi)部集成的輸出放大結構受位移損傷的影響較小，從該型號面陣CCD受反應堆中子位移輻照損傷模擬試驗結果進一步確認了電離損傷對面陣CCD輸出放大結構的損傷對暗信號電壓測試的影響。面陣CCD的光敏區(qū)和轉移區(qū)的暗信號，經(jīng)過輸出放大結構輸出，各部分均受到不同劑量率輻照損傷差異影響，導致其呈現(xiàn)出較復雜的試驗現(xiàn)象規(guī)律，這也是目前CCD是否存在ELDRS尚無定論的一個重要原因。深入分析劑量率對CCD輻照損傷的影響，仍需要開展大量的輻照試驗和理論研究，相關研究結果將在后續(xù)論文中進行討論。

3.2 暗信號退火

總劑量達0.20kGy（Si）后，積分時間為199.27ms時，不同輻照偏置條件下VD隨退火時間變化的關系曲線如圖7所示?？梢钥吹剑椪蘸笫覝赝嘶?，VD的退化程度有所恢復，這主要是由于電離輻照誘發(fā)的氧化層陷阱電荷在室溫下容易退火，使電離輻照損傷誘發(fā)產(chǎn)生的缺陷密度在退火后減小，從而使面陣CCD輻照損傷程度在退火后有一定的恢復。面陣CCD在不同偏置條件下輻照后，經(jīng)過室溫退火，VD均減小，但沒有恢復到輻照前的性能，說明電離輻照誘發(fā)面陣CCD的VD退化存在永久性損傷。不論是線陣CCD還是面陣CCD，如果退火后，暗信號電壓的退化程度有所恢復，但沒有恢復到輻照前的狀態(tài)，則說明電離輻照誘發(fā)CCD暗信號電壓的退化存在永久性損傷。

輻照后退火測試時間的選取，主要根據(jù)研究不同劑量率輻照損傷差異時，較高輻照劑量率輻照后的退火測試時間需要滿足與低劑量率輻照到相同總劑量時的等時測試。例如，總劑量輻照到0.20kGy（Si）時，劑量率為0.1Gy（Si）／s時，需要退火約5h后，測試的參數(shù)可與劑量率為0.01Gy（Si）／s時進行比較；需要退火約50h后，測試的參數(shù)可與0.001Gy（Si）／s時進行比較；需要退火約550h后，測試的參數(shù)可與0.000 1Gy（Si）／s時進行比較，通過與低劑量率輻照到相同總劑量時的等時測試，來判定面陣CCD不同劑量率的輻照損傷是否為時間相關性。

圖6 面陣CCD在不加偏置輻照條件下，暗信號電壓 （VD）隨劑量率的變化Fig.6 Dark signal voltage（VD）of unbiased array CCDs versus the dose rates

圖7 暗信號電壓 （VD）在輻照后隨退火時間的變化Fig.7 Dark signal voltage （VD）versus the annealing time during irradiation

3.3 暗信號不均勻性

暗信號不均勻性（DSNU）是指在無光照條件下，單位積分時間內(nèi)CCD光敏區(qū)各像元產(chǎn)生的輸出信號與輸出信號平均值的偏差，通常用VDEV表示。DSNU又稱為固定圖像噪聲。測試前調節(jié)測試系統(tǒng)，在無光照條件和規(guī)定的積分時間下給器件加上規(guī)定的電源電壓，使器件處于正常工作狀態(tài)，設置積分時間，采集F幀信號，測試CCD光敏像元區(qū)域內(nèi)各有效像元輸出信號，并計算均方根偏差VDEV。DSNU的計算公式為

式中VDEV為輸出信號均方根偏差；M為光敏面像元數(shù)；Voi為第i個像元的輸出信號值；Vo為器件的輸出信號平均值。

A07＃CCD加偏置輻照后，在不同總劑量下DSNU隨積分時間增大的變化關系曲線如圖8所示。可以看到，輻照后DSNU隨積分時間增大而增大，總劑量越大，DSNU隨積分時間增大而增大程度越顯著。

A08＃CCD不加偏置輻照后，在不同總劑量下DSNU隨積分時間增大的變化關系曲線如圖9所示。也可以看到，輻照后DSNU隨積分時間增大而增大，總劑量越大，DSNU隨積分時間增大而增大程度越顯著。

從圖8和圖9中均可以看到，在相同積分時間下，DSNU均隨總劑量增大而增大。在相同總劑量下，加偏置電壓輻照時的DSNU比不加偏置電壓輻照時要大，這是因為加偏置電壓輻照時，暗信號增大程度整體比不加偏置電壓輻照時更大，且各個像元暗信號大小差異也比不加偏置電壓輻照時更大，導致DSNU也比不加偏置電壓輻照時更大。

圖8 A07＃CCD加偏置輻照后，不同總劑量下暗信號不均勻性隨積分時間的變化Fig.8 Dark signal no-uniformity（DSNU）versus integration time at the biased condition of A07＃CCD during irradiation

圖9 A08＃CCD不加偏置輻照后，不同總劑量下暗信號不均勻性隨積分時間的變化Fig.9 Dark signal no-uniformity（DSNU）versus integration time at the unbiased condition of A08＃CCD during irradiation

4 結束語

通過開展索尼ICX285AL科學級面陣CCD電離輻照試驗及輻照后的退火測試，得到了電離輻照誘發(fā)面陣CCD暗信號退化的試驗規(guī)律，試驗結果表明：不同偏置條件下輻照后，面陣CCD暗信號退化程度均隨總劑量增大而增大，加偏置比不加偏置輻照損傷更嚴重；室溫退火后，暗信號退化程度有所恢復，但仍存在永久性損傷。電離輻照誘發(fā)面陣CCD暗信號增大主要歸因于輻射感生氧化層陷阱電荷和界面態(tài)密度增大引起。輻照后DSNU隨積分時間增大而增大，總劑量越大，DSNU隨積分時間增大而增大程度越顯著。

索尼ICX285AL面陣CCD的電離輻照試驗結果還表明：當總劑量達到0.2kGy（Si）時，該型號CCD芯片受電離輻照損傷較嚴重，在不考慮空間位移損傷影響的前提下，在中高軌道環(huán)境中，該型號CCD芯片不超過兩年的使用壽命，該型號芯片在低地球軌道環(huán)境下使用壽命會相對長一些。上述研究結果為開展星載面陣CCD輻照損傷預估和抗輻照加固防護技術研究提供了理論和試驗技術支持。

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