CCD表面暗電流特性研究

雷仁方，王 艷，高建威，鐘玉杰

(重慶光電技術(shù)研究所第一研究室，重慶 400060)

自從電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)在貝爾實(shí)驗(yàn)室被發(fā)明以來，其在星載、航空航天、微光夜視、醫(yī)療和工業(yè)等方面得到了廣泛應(yīng)用。在飽和輸出幅度、量子效率、暗電流、噪聲等CCD參數(shù)中，低暗電流一直是CCD研發(fā)人員的努力方向［1］。CCD暗電流由Si－SiO2界面的表面暗電流、耗盡區(qū)的耗盡區(qū)暗電流和場自由區(qū)的擴(kuò)散電流組成［2］，其中表面暗電流占據(jù)CCD暗電流的主導(dǎo)地位。為了抑制表面暗電流，多相釘扎(Multi－Pinned Phase，MPP)、所有柵釘扎(All Gate Pinned，AGP)和反型工作模式(Inverted Operation Mode，IOM)等工作模式都可在CCD表面的硅－二氧化硅界面形成了空穴積累層，抑制表面暗電流的產(chǎn)生［3－6］，使這些工作模式下的CCD暗電流僅來源于耗盡區(qū)暗電流和擴(kuò)散暗電流，具有更低的暗電流特性。但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如線陣CCD和TDI CCD等，無法采用MPP結(jié)構(gòu)來抑制表面暗電流。所以，表面暗電流會(huì)是CCD研發(fā)人員的關(guān)注重點(diǎn)。本文針對CCD表面暗電流的溫度特性和輻照特性進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 CCD暗電流理論分析

CCD的暗電流有3個(gè)重要來源，即Si－SiO2界面的表面暗電流、耗盡區(qū)暗電流和場自由區(qū)的擴(kuò)散電流，如圖1所示，表面暗電流由硅－二氧化硅表面的界面態(tài)密度決定;耗盡區(qū)暗電流產(chǎn)生于耗盡區(qū)的熱產(chǎn)生電子，由有效少子壽命決定;擴(kuò)散暗電流產(chǎn)生于溝阻、CCD勢阱下方的中性區(qū)域和襯底［7－8］。表面暗電流IS、耗盡區(qū)暗電流IDEP和擴(kuò)散暗電流IDIF分別由下式表示

式中，q為電子電荷;ni為硅的本征載流子濃度;NSS為硅－二氧化硅界面的界面態(tài)密度;σ為電子橫截面積;xDEP為耗盡區(qū)寬度;τDEP為耗盡區(qū)有效載流子壽命;Dn為電子的擴(kuò)散系數(shù);xc為特征長度，若擴(kuò)散長度大于耗盡區(qū)下面的場自由區(qū)寬度，則xc為場自由區(qū)的寬度，否則xc為擴(kuò)散長度;NA為硅的摻雜濃度。

CCD暗電流為表面暗電流、耗盡區(qū)暗電流和擴(kuò)散暗電流3者之和，由式(4)表示

圖1 CCD暗電流示意圖

常溫下，若硅 －二氧化硅界面態(tài)密度 NSS為5E9 cm－2eV－1、耗盡區(qū)有效少子壽命為20 ms，則 CCD總暗電流約為2 nA/cm2。其中，耗盡區(qū)暗電流約35 pA/cm2，擴(kuò)散暗電流約1 pA/cm2。這說明表面暗電流為CCD總暗電流的主要來源，占據(jù)主導(dǎo)地位。

CCD的柵介質(zhì)為SiO2/Si3N4復(fù)合柵介質(zhì)，在Si－SiO2界面，由于晶格周期性排列的失配，形成了硅的懸掛鍵，如圖2所示，形成復(fù)合－產(chǎn)生中心，即界面態(tài)。在CCD積分過程中，界面態(tài)產(chǎn)生的電子被勢阱收集并成為暗電流。在溫度一定的情況下，CCD表面暗電流隨界面態(tài)密度的增加而增加，且呈線性關(guān)系，如圖3所示。

圖2 CCD表面硅－二氧化硅界面的懸掛鍵

圖3 CCD表面暗電流與界面態(tài)密度的關(guān)系

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用1 024×1 024可見光CCD對其表面暗電流與界面態(tài)密度、溫度和輻照的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和分析。該器件為n型埋溝全幀轉(zhuǎn)移CCD，采用3層多晶硅和1次金屬，像元尺寸為11μm×11μm，該器件的基本參數(shù)如表1所示。

表1 1 024×1 024可見光CCD參數(shù)

2.1 CCD表面暗電流的溫度特性

1 024×1 024可見光CCD的器件暗電流隨溫度變化情況如圖4所示。表面暗電流一直占據(jù)支配地位，是暗電流的主要來源。隨著溫度的增加，雖然表面暗電流一直占據(jù)支配地位，但耗盡區(qū)暗電流特別是擴(kuò)散暗電流對器件總暗電流的貢獻(xiàn)越大，所占比例也越來越大，表面暗電流與耗盡區(qū)、擴(kuò)散暗電流二者之和的比例隨溫度變化情況如圖5所示。

圖4 1 024×1 024可見光CCD暗電流與溫度的關(guān)系

圖5 IS/(I DEP+I DIF)與溫度的關(guān)系

由于CCD勢阱容量的有限性，若CCD的部分勢阱被暗信號(hào)電子填充，則可容下的有用信號(hào)電子數(shù)降低，CCD的有效輸出降低。若CCD的勢阱全部被暗信號(hào)電子填滿，則CCD不能再存儲(chǔ)光子產(chǎn)生的光生電子，器件失去光響應(yīng)和成像功能。在溫度為62℃時(shí)，1 024×1 024可見光CCD的暗信號(hào)電子填滿CCD的勢阱，器件沒有光響應(yīng)，失去成像功能。

暗電流的非均勻性來源于像元間的暗電流差異，和硅體內(nèi)的缺陷、金屬離子沾污等有直接關(guān)系。1 024×1 024可見光CCD工作在MPP模式下和非MPP模式下的暗電流非均勻性，隨溫度變化情況如圖6所示。

圖6 暗電流非均勻性隨溫度的變化

可見，不僅CCD的暗電流隨溫度的上升而升高，暗電流非均勻性也隨著溫度的上升而增加，說明存在缺陷、金屬離子沾污像元的暗信號(hào)，電子隨溫度的增加量，大于無缺陷的。

工作在非MPP模式下的CCD暗電流，非均勻性明顯大于MPP模式下的CCD暗電流非均勻性，這是由于硅－二氧化硅處的界面態(tài)引起，說明不同像元間的界面態(tài)密度不同，使得不同像元間熱產(chǎn)生的暗信號(hào)電子的差異較大，造成非MPP CCD的暗電流非均勻性大于MPP CCD的暗電流非均勻性。且界面態(tài)引起的熱產(chǎn)生暗信號(hào)電子，隨溫度變化量大于缺陷、金屬離子等引起的熱產(chǎn)生電子隨溫度變化量，使得非MPP CCD的暗電流非均勻性隨溫度上升斜率遠(yuǎn)大于MPP CCD。

圖6中非MPP CCD的暗電流非均勻性從2.92%突然下降到0.79%，這不僅說明暗信號(hào)電子已經(jīng)填滿了CCD的勢阱，而且溝阻已失去限定電子轉(zhuǎn)移范圍的功能，器件信道內(nèi)的暗信號(hào)電子相互串?dāng)_，使得暗信號(hào)電子平均分布，造成暗電流非均勻性變好的假象。

2.2 CCD表面暗電流的γ輻照特性

1 024×1 024可見光CCD輻照實(shí)驗(yàn)使用Co60輻照源，實(shí)驗(yàn)中γ射線劑量率為5 Rad(Si)/s，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，輻照總劑量分別為25 kRad(Si)、50 kRad(Si)、75 kRad(Si)、100 kRad(Si)，然后測試器件的表面暗電流，暗電流測試溫度為20℃。不同輻照劑量下CCD表面暗電流如圖7所示，隨著劑量的增加，器件的暗信號(hào)逐漸增大。

圖7 不同輻照劑量下的CCD表面暗電流

γ射線輻照對CCD表面暗電流的影響是因?yàn)镃CD的基本結(jié)構(gòu)為MOS柵電容結(jié)構(gòu)，其柵介質(zhì)為SiO2/Si3N4復(fù)合柵介質(zhì)。器件受到輻照后，在硅－二氧化硅界面產(chǎn)生大量的界面態(tài)缺陷［9］，且在 Si－SiO2處產(chǎn)生的界面態(tài)能級(jí)主要位于Si的禁帶間，很容易與Si體內(nèi)的載流子作用而引起電子空穴對的熱激發(fā)，從而使器件的表面暗電流增大。圖7中的CCD經(jīng)不同輻照劑量后的硅－二氧化硅界面態(tài)密度如表2所示。隨著γ輻照劑量的增加，硅－二氧化硅界面態(tài)密度隨之增加，使得CCD表面暗電流和總暗電流增大。

表2 不同輻照劑量下的硅－二氧化硅界面態(tài)密度

3 結(jié)束語

通過對CCD表面暗電流溫度特性和輻照特性的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)表面暗電流不僅是CCD總暗電流的主要來源，且是CCD暗電流非均勻性的主要影響因素;經(jīng)過γ射線輻照后，CCD柵介質(zhì)的硅 －二氧化硅界面態(tài)密度隨輻照劑量的增加而增加，使得CCD表面暗電流和總暗電流隨之增加，是CCD經(jīng)輻照后暗電流變大的主要影響因素。

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