CCD器件輻射損傷參數(shù)測(cè)試方法

葛 釗，陳佳杰，李豫東，吾勤之

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109；2.中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所，新疆 烏魯木齊 830011；3.上海航天基礎(chǔ)技術(shù)研究所，上海 201109）

0 引言

CCD是航天器與載荷的核心器件，在航天高分辨率對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛?？臻g輻射環(huán)境作用于CCD可造成電離總劑量效應(yīng)與位移損傷，導(dǎo)致器件性能退化甚至失效［1－2］。因此，CCD的抗輻射加固是保證航天器與載荷可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)與歐洲的CCD抗輻射加固技術(shù)已達(dá)到很高的水平［3－4］。國(guó)內(nèi)相關(guān)單位近年來(lái)也開(kāi)展了CCD的γ射線(xiàn)、中子、質(zhì)子輻照試驗(yàn)研究，有一定的指導(dǎo)意義，但由于起步較晚，CCD的輻射損傷模擬試驗(yàn)與測(cè)試技術(shù)、輻射效應(yīng)與機(jī)理研究較薄弱，無(wú)法為抗輻射加固技術(shù)的發(fā)展提供有力的支撐［5－7］。本文在已有測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了CCD的輻射損傷參數(shù)定量測(cè)試與分析方法，并通過(guò)某TDI-CCD的輻照試驗(yàn)與測(cè)試，研究了輻照前后的參數(shù)變化規(guī)律，對(duì)測(cè)試方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 測(cè)試原理與方法

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)CCD輻射效應(yīng)測(cè)試，建立了光電成像器件輻射效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)包括光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子學(xué)測(cè)試部分和控制部分。光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)可為CCD的測(cè)試提供積分球均勻光源、波長(zhǎng)可調(diào)的單色均勻光照明。電子學(xué)測(cè)試部分按功能劃分為控制及數(shù)據(jù)處理、光電響應(yīng)性能測(cè)試、光譜響應(yīng)性能測(cè)試、傳遞函數(shù)測(cè)試、光輻射定標(biāo)五個(gè)分系統(tǒng)，可為CCD的測(cè)試提供工作偏置、驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成工作狀態(tài)切換?？刂撇糠挚蓪?shí)現(xiàn)光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子學(xué)測(cè)試部分的控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一體化、操作自動(dòng)化；實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)處理功能。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Test system

1.2 參數(shù)測(cè)試原理與方法

CCD的主要性能參數(shù)有暗信號(hào)、電荷轉(zhuǎn)移效率、飽和輸出信號(hào)、光響應(yīng)靈敏度、響應(yīng)線(xiàn)性度、飽和曝光量、噪聲等效曝光量、信噪比、動(dòng)態(tài)范圍、固定圖像噪聲、光譜響應(yīng)和調(diào)制傳遞函數(shù)等。絕大多數(shù)參數(shù)均可根據(jù)數(shù)個(gè)基本參數(shù)算出。參考國(guó)內(nèi)外CCD測(cè)試及輻射效應(yīng)的相關(guān)研究，暗信號(hào)、固定圖像噪聲、飽和輸出信號(hào)、電荷轉(zhuǎn)移效率、光響應(yīng)非均勻性和光譜響應(yīng)等參數(shù)最能體現(xiàn)器件的基本性能，并反映輻射損傷內(nèi)在物理機(jī)理［8－10］。因此，本文將上述參數(shù)作為研究重點(diǎn)，基于已有的測(cè)試系統(tǒng)，研究了相關(guān)測(cè)試原理與方法。

1.2.1 暗信號(hào)與固定圖像噪聲

CCD的暗信號(hào)是指在無(wú)光照條件下CCD像元產(chǎn)生的輸出信號(hào)，主要是由器件本身的熱生成載流子引起。暗信號(hào)也可用暗電流密度表征，

式中：Jd為器件的暗電流密度；Vd為暗信號(hào)電壓；q為電子電荷；T為熱力學(xué)溫度；Ad為器件的像元面積；Sv為器件的電荷－電壓轉(zhuǎn)換因子。

通過(guò)暗信號(hào)的測(cè)試，可反映受輻照后器件界面特性的變化以及誘發(fā)缺陷的情況。另外，暗信號(hào)增大會(huì)導(dǎo)致器件信噪比、動(dòng)態(tài)范圍降低，嚴(yán)重影響器件的成像質(zhì)量，并會(huì)增加器件功耗電流［11］。因此，有必要測(cè)試輻射損傷對(duì)器件暗信號(hào)的影響。在無(wú)光照條件下，器件的輸出信號(hào)會(huì)隨積分時(shí)間線(xiàn)性增加，由式（1）可得

式中：Kd為單位時(shí)間內(nèi)暗信號(hào)電壓；t為器件的光積分時(shí)間。

CCD的固定圖像噪聲VFPN又被稱(chēng)為暗信號(hào)非均勻性，指在無(wú)光照條件下，單位積分時(shí)間內(nèi)器件光敏區(qū)各像元產(chǎn)生的輸出信號(hào)與輸出信號(hào)平均值的偏差。位移損傷造成的體缺陷（點(diǎn)缺陷、缺陷簇等）可導(dǎo)致像元暗信號(hào)的非均勻性，器件應(yīng)用時(shí)，固定噪聲也將一步步傳輸至后一級(jí)，使器件信噪比與動(dòng)態(tài)范圍下降。測(cè)試過(guò)程為：在規(guī)定的工作頻率和積分時(shí)間及溫度條件下，設(shè)積分時(shí)間為1s，采集多幀信號(hào)，計(jì)算各有效像元輸出信號(hào)均方根偏差，按

計(jì)算器件的輸出信號(hào)均方根偏差VDEV（即固定圖像噪聲）。此處：m為像元數(shù)；Voi為第i個(gè)像元平均輸出信號(hào)（多幀平均）；Vo為器件平均輸出信號(hào)。

1.2.2 電荷轉(zhuǎn)移效率與光響應(yīng)非均勻性

CCD的信號(hào)電荷量從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到下一個(gè)電極，轉(zhuǎn)移前后電荷量的比值即電荷轉(zhuǎn)移效率ηt。輻照誘發(fā)的缺陷會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)部載流子的俘獲、復(fù)合，而器件內(nèi)部載流子產(chǎn)生、輸運(yùn)可用電荷轉(zhuǎn)移效率表征［12］。電荷轉(zhuǎn)移效率降低將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電荷嚴(yán)重衰減，降低器件的動(dòng)態(tài)范圍。因此，有必要測(cè)試輻射損傷對(duì)器件電荷轉(zhuǎn)移效率的影響。器件正常工作時(shí)，電荷包在勢(shì)阱間順序轉(zhuǎn)移。因電荷包轉(zhuǎn)移存在電荷損失，故電荷包經(jīng)N個(gè)像元轉(zhuǎn)移后，其電量會(huì)減小，損失的電荷則成為后序尾像元中的延遲電荷，可用延遲電荷導(dǎo)出器件的電荷轉(zhuǎn)移效率，該測(cè)試方法被稱(chēng)為擴(kuò)展像元邊緣響應(yīng)法［8］。測(cè)試時(shí)需向CCD提供均勻光照，使其處于半飽合狀態(tài)，再連續(xù)采集多幀圖像信號(hào)，取平均后再進(jìn)行計(jì)算。電荷轉(zhuǎn)移效率可表示為

式中：ND為水平轉(zhuǎn)移總遲后單元電荷量或垂直轉(zhuǎn)移總遲后行電荷量；NLC為水平轉(zhuǎn)移行最后一個(gè)像元電荷量或垂直轉(zhuǎn)移幀信號(hào)最后一行總像元電荷量；NP為器件寄存器轉(zhuǎn)移的單元數(shù)乘以時(shí)鐘相數(shù)。

規(guī)定測(cè)試的行延遲拖尾像元數(shù)為1個(gè)，幀延遲拖尾像元行為一行。

高能帶電粒子輻照產(chǎn)生的位移損傷將使CCD的光響應(yīng)非均勻性γPRNU顯著增大。γPRNU測(cè)試主要是計(jì)算像元間的響應(yīng)差異，可采用標(biāo)準(zhǔn)均方根偏差計(jì)算方法。測(cè)試時(shí)使器件處于均勻光照條件，調(diào)節(jié)曝光量使器件的輸出信號(hào)約為飽和輸出信號(hào)的一半；采集多幀圖像，先計(jì)算Vo，再用標(biāo)準(zhǔn)均方根偏方差方法計(jì)算器件光響應(yīng)非均勻性

1.2.3 飽和輸出信號(hào)

CCD的飽和輸出信號(hào)是指器件在正常工作狀態(tài)下輸出電壓的最大值，主要由器件耗盡層深度決定。耗盡層深度受外加?xùn)艍嚎刂疲曙柡洼敵鲂盘?hào)變化可反映柵極閾值電壓的漂移信息，是研究器件電離輻射損傷的重要參數(shù)之一。光響應(yīng)輸出信號(hào)是曝光量和曝光時(shí)間的線(xiàn)性函數(shù)，可調(diào)節(jié)積分時(shí)間以改變曝光量，通過(guò)測(cè)試輸出信號(hào)計(jì)算飽和輸出信號(hào)。測(cè)試時(shí)，向器件提供均勻光照，從小到大逐步調(diào)整曝光時(shí)間，同時(shí)采集器件的輸出信號(hào)；以曝光量為橫坐標(biāo)，輸出信號(hào)為縱坐標(biāo)，由測(cè)試數(shù)據(jù)給出散點(diǎn)圖，并用最小二乘法，分別在線(xiàn)性區(qū)和飽和區(qū)擬合出兩條直線(xiàn)，兩條直線(xiàn)交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為器件的飽和輸出信號(hào)。

1.2.4 光譜響應(yīng)

CCD的光譜響應(yīng)是指器件對(duì)不同入射波長(zhǎng)的響應(yīng)度，反映了器件的靈敏度和響應(yīng)范圍，是器件的核心指標(biāo)。輻照可在半導(dǎo)體材料中引入缺陷能級(jí)，使器件的發(fā)光、光響應(yīng)性能產(chǎn)生變化，通過(guò)測(cè)試器件響應(yīng)度可研究器件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷能級(jí)的情況。CCD光譜響應(yīng)度對(duì)應(yīng)光生電荷的產(chǎn)生和收集過(guò)程，受電離總劑量效應(yīng)影響較小，其變化可有效表征器件的位移損傷。測(cè)試原理如圖2所示。將器件放置于均勻單色光照條件下，測(cè)試電路提供器件的工作電源及驅(qū)動(dòng)脈沖，并采集器件輸出信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，按特定的傳輸協(xié)議由數(shù)據(jù)采集模塊傳輸至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)處理，同時(shí)計(jì)算機(jī)可通過(guò)上位機(jī)軟件發(fā)送指令控制測(cè)試電路的工作條件，改變器件的工作頻率和曝光時(shí)間等。測(cè)試中器件處于單一波長(zhǎng)的均勻光照下，測(cè)量器件的輸出電壓，并與該光照條件下標(biāo)準(zhǔn)量子阱探測(cè)器的響應(yīng)值相除，所得值即是該入射波長(zhǎng)下的器件響應(yīng)。掃描器件的整個(gè)光譜響應(yīng)范圍，可得器件的光譜響應(yīng)

式中：M1（λ），M0（λ）分別為每一波長(zhǎng)的器件和量子阱探測(cè)器響應(yīng)值。

圖2 光譜響應(yīng)測(cè)試原理Fig.2 Test principle of spectral response

2 TDI-CCD輻照試驗(yàn)及測(cè)試

為對(duì)參數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證，選取了某埋溝結(jié)構(gòu)TDI-CCD樣品，用中科院新疆理化所60Co-γ的輻射源進(jìn)行了總劑量輻照試驗(yàn)。輻照劑量率為0.08Gy（Si）／s。試驗(yàn)過(guò)程中選取了 25，50，100，200Gy（Si）四個(gè)劑量點(diǎn)進(jìn)行移位測(cè)試，主要測(cè)試參數(shù)為暗信號(hào)、固定圖像噪聲、電荷轉(zhuǎn)移效率、光譜響應(yīng)、飽和輸出信號(hào)等，典型測(cè)試結(jié)果如圖3～6所示。由結(jié)果可知：暗信號(hào)隨輻照劑量增加而明顯增大，但固定圖像噪聲、電荷轉(zhuǎn)移效率、光譜響應(yīng)無(wú)明顯變化，在整個(gè)試驗(yàn)中飽和輸出電壓和光響應(yīng)非均勻性幾乎保持不變，故未給出結(jié)果。

圖3 不同總劑量下暗信號(hào)Fig.3 Dark signal under various total dose

圖4 不同總劑量下固定圖像噪聲Fig.4 Fixed image noise under various total dose

圖5 不同總劑量下電荷轉(zhuǎn)移效率Fig.5 Charge transfer efficiency under various total dose

圖6 不同總劑量和波長(zhǎng)下光譜響應(yīng)Fig.6 Spectral response under various total dose and waveband

由參數(shù)測(cè)試結(jié)果，結(jié)合TDI-CCD的器件原理，分析認(rèn)為：由于60Co-γ射線(xiàn)輻照主要在CCD的MOS結(jié)構(gòu)SiO2層中誘發(fā)氧化物陷阱電荷，在SiO2／Si界面處誘發(fā)界面態(tài)。隨著γ輻照劑量的增大，必然導(dǎo)致輻照誘發(fā)的表面暗電子數(shù)不斷增加，從而造成暗電流顯著增大；固定圖像噪聲的變化不明顯說(shuō)明γ射線(xiàn)輻照未導(dǎo)致器件材料中產(chǎn)生大量體缺陷（點(diǎn)缺陷、缺陷簇等），沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的位移損傷；對(duì)表面溝道CCD，電荷轉(zhuǎn)移效率對(duì)體缺陷與界面態(tài)較敏感，試驗(yàn)中的TDI-CCD采用埋溝結(jié)構(gòu)，電荷轉(zhuǎn)移在材料體內(nèi)進(jìn)行，顯著減少了器件界面處特性的變化對(duì)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程的影響，故在輻照中沒(méi)有明顯變化；光譜響應(yīng)在輻照的前后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯變化說(shuō)明器件的感光區(qū)域未明顯產(chǎn)生缺陷能級(jí)［13－14］。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)CCD器件的輻射損傷參數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行了研究。研究證實(shí)了CCD受60Co-γ射線(xiàn)輻照主要導(dǎo)致電離總劑量效應(yīng)，但未導(dǎo)致明顯的位移損傷，這與相關(guān)報(bào)道相符［15－18］。本文CCD輻射損傷參數(shù)測(cè)試方法能用于CCD輻射效應(yīng)模擬試驗(yàn)研究，可為CCD的輻射損傷機(jī)理研究、抗輻射性能考核評(píng)估提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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