電荷耦合器件中子輻照誘發(fā)的位移效應(yīng)

汪 波， 李豫東， 郭 旗， 汪朝敏， 文 林

(1. 中國科學(xué) 院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室， 新疆電子信息材料與器件重點實驗室， 中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 重慶光電技術(shù)研究所， 重慶 400060 )

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電荷耦合器件中子輻照誘發(fā)的位移效應(yīng)

汪 波1,2， 李豫東1*， 郭 旗1， 汪朝敏3， 文 林1

(1. 中國科學(xué) 院特殊環(huán)境功能材料與器件重點實驗室， 新疆電子信息材料與器件重點實驗室， 中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049； 3. 重慶光電技術(shù)研究所， 重慶 400060 )

為研究電荷耦合器件空間輻照效應(yīng)、參數(shù)退化機(jī)理，對國產(chǎn)64×64像元電荷耦合器件進(jìn)行了中子輻照位移損傷效應(yīng)研究。樣品在中子輻照下，暗信號、暗信號非均勻性和電荷轉(zhuǎn)移效率等關(guān)鍵性能參數(shù)退化顯著。研究結(jié)果表明：暗信號的退化是由于中子輻照產(chǎn)生的體缺陷能級在耗盡層中充當(dāng)復(fù)合-產(chǎn)生中心，增大了熱載流子的產(chǎn)生率所致，而各像素單元暗信號退化的不一致性使暗信號非均勻性增大；電荷轉(zhuǎn)移效率顯著減小則是由于中子輻照在轉(zhuǎn)移溝道中產(chǎn)生的體缺陷不斷捕獲、發(fā)射電子所引起。在整個實驗過程中，飽和輸出電壓的退化可以忽略不計，表現(xiàn)出較好的抗位移損傷能力。

電荷耦合器件； 中子輻照； 位移效應(yīng)； 電荷轉(zhuǎn)移效率； 暗信號

1 引 言

電荷耦合器件(Charge coupled device，CCD)是空間光學(xué)衛(wèi)星的核心器件，在航天對地偵察、目標(biāo)監(jiān)視、姿態(tài)控制等方面發(fā)揮著不可替代的作用。空間高能帶電粒子輻射環(huán)境作用于器件，可導(dǎo)致器件的靈敏度、動態(tài)范圍、信噪比等指標(biāo)退化，將嚴(yán)重影響衛(wèi)星與載荷的在軌應(yīng)用性能與運行壽命[1-3]。因此，研究CCD的空間輻照效應(yīng)、損傷機(jī)理，并對器件的抗輻照能力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)估，是宇航級CCD研制及其空間應(yīng)用的關(guān)鍵。

美國、西歐較早開展了CCD質(zhì)子、γ射線、中子、電子等不同粒子的輻照損傷效應(yīng)研究。隨著CCD制造工藝、器件結(jié)構(gòu)、工作模式的不斷改進(jìn)，CCD抗電離總劑量效應(yīng)能力不斷提高，但空間高能質(zhì)子和電子輻照導(dǎo)致CCD產(chǎn)生位移效應(yīng)的問題日益突出。高能粒子入射器件內(nèi)部，將導(dǎo)致CCD體暗電流與噪聲增大、電荷轉(zhuǎn)移效率衰減、出現(xiàn)隨機(jī)電碼信號現(xiàn)象，造成器件性能嚴(yán)重退化[4-6]。例如，加拿大DALSA公司的高電阻系數(shù)Si制造的P埋溝背照射CCD，輻照前器件的電荷轉(zhuǎn)移效率為0.999 999，受2 MeV能量的電子輻照后，注量為1×1012e/cm2時的電荷轉(zhuǎn)移效率已下降至0.999 850。

我國對CCD位移效應(yīng)研究開展得較晚，目前只是零星開展了質(zhì)子輻照CCD的理論計算和輻照實驗研究[7]，在CCD位移效應(yīng)引起參數(shù)退化機(jī)理方面的研究還有待進(jìn)一步深入。本文通過CCD中子輻照實驗，研究了器件受位移損傷后關(guān)鍵性能參數(shù)的退化情況，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)深入分析了其輻照損傷機(jī)理。

2 樣品和方法

實驗樣品采用國產(chǎn)埋溝結(jié)構(gòu)、像素陣列為64×64像元的CCD。圖1為CCD像素單元示意圖，像素單元的尺寸為48 μm×48 μm，采用復(fù)合柵結(jié)構(gòu)，在20 nm厚的二氧化硅層上淀積一層60 nm厚的氮化硅作為絕緣層。

圖1 CCD像素單元示意圖

中子輻照實驗在西北核技術(shù)研究所的TRIGA型脈沖堆上進(jìn)行。實驗采用的中子能量大于0.1 MeV，中子譜的平均能量為1.05 MeV，中子損傷等效系數(shù)為1.02 MeV。中子γ比大于5×109n/rad。為了保證實驗結(jié)果的可信度，實驗樣品從同一批次樣品中挑選了3片參數(shù)一致性較好的CCD，實驗過程中樣品所有管腳全部短接接地，采用不加電偏置進(jìn)行輻照。當(dāng)中子輻照注量達(dá)到預(yù)定值時，將器件帶回新疆理化所進(jìn)行測試。因中子輻照器件存在活化問題，所有測試均在輻照后一個月進(jìn)行，期間實驗樣品不加電室溫放置。測試選取的注量點分別為1×1010，2×1010，5×1010，10×1010，15×1010n/cm2。

3 實驗結(jié)果

3.1 暗信號、暗信號非均勻性隨中子注量的變化

暗信號是CCD像素在未受光照條件下存在于MOS電容中的本底信號，其產(chǎn)生主要是由于器件本身的熱生成載流子引起。暗信號的存在對CCD的諸多性能參數(shù)有較大影響，其中最具典型性的是動態(tài)范圍/信噪比。暗信號的存在實際上等于降低了像素的滿阱容量，影響像素的最大可探測信號，嚴(yán)重影響器件的成像質(zhì)量，并且會增加器件功耗電流。圖2給出了器件受中子輻照后暗信號的退化情況，可以看出，隨著輻照注量的增加，暗信號幾乎呈線性增大。

圖2 暗信號隨中子注量的變化關(guān)系

暗信號非均勻性又被稱為固定圖像噪聲，指在無光照條件下，在單位積分時間內(nèi)，器件光敏區(qū)各像元產(chǎn)生的輸出信號與輸出信號平均值的偏差。圖3給出了暗信號非均勻性隨中子注量的變化關(guān)系，從圖中可以看出，中子輻照注量越大，暗信號非均勻性的退化就越大。位移損傷造成的晶格缺陷可直接導(dǎo)致暗信號及像元的非均勻性，暗信號非均勻性會一步步傳輸?shù)胶笠患壢?，降低信噪比，?dǎo)致成像質(zhì)量嚴(yán)重退化。因此，在器件具體應(yīng)用時，暗信號非均勻性的退化對器件性能影響較大。

圖3 暗信號非均勻性隨中子注量的變化關(guān)系

Fig.3 Variation of dark signal non-uniformity with neutron fluence

3.2 電荷轉(zhuǎn)移效率隨中子輻照注量的變化

電荷轉(zhuǎn)移效率是指CCD信號電荷包從一個電極轉(zhuǎn)移到下一個電極，轉(zhuǎn)移后電極下的電荷量與轉(zhuǎn)移前電極下電荷量的比值，通常用ηt表示。電荷轉(zhuǎn)移效率的變化可以反映出CCD受中子輻照后器件內(nèi)部載流子產(chǎn)生、收集、輸運的退化情況。

圖4給出了電荷轉(zhuǎn)移效率隨中子注量的變化關(guān)系，從圖中可以看出，隨著中子注量的增大，器件電荷轉(zhuǎn)移效率逐漸減小。當(dāng)輻照注量大于2×1010n/cm2時，電荷轉(zhuǎn)移效率迅速減小，由初始值的0.999 96退化到0.999 87。對于實際應(yīng)用的CCD，像素的信號電荷需經(jīng)過幾千次電荷轉(zhuǎn)移才能到達(dá)器件輸出端口，電荷轉(zhuǎn)移效率的退化將會導(dǎo)致器件信號電荷嚴(yán)重衰減，致使動態(tài)范圍減小，并且引起像素間的差異變大。

圖4 電荷轉(zhuǎn)移效率隨中子注量的變化關(guān)系

Fig.4 Variation of charge transfer efficiency with neutron fluence

3.3 飽和輸出電壓隨中子注量的變化

飽和輸出電壓是指CCD在正常工作條件下輸出信號的最大值，它表征了CCD所能響應(yīng)信號的最大值。它主要由器件耗盡層深度和CCD片上放大器增益決定，耗盡層深度和放大器增益均與外加?xùn)艍河嘘P(guān)，因此，飽和輸出電壓的變化可以反映柵極閾值電壓的漂移信息。圖5給出了器件飽和輸出電壓隨中子注量的變化關(guān)系，從圖中可以看出，飽和輸出電壓的抗中子能力較好，當(dāng)累積輻照注量達(dá)到15×1010n/cm2時，其退化程度仍可以忽略。

圖5 飽和輸出電壓隨中子注量的變化關(guān)系

Fig.5 Variation of saturated output signal of CCD with neutron irradiation

4 分析與討論

4.1 暗信號、暗信號非均勻性退化機(jī)理分析

本次實驗采用的中子平均能量為1 MeV。中子入射器件后主要發(fā)生彈性散射作用，初級入射中子在一次彈性碰撞中將傳遞給晶格原子一部分能量，如果這部分能量大于位移所需能量，則造成原子離開晶格位置，成為晶格中的間隙原子。如果初級反沖原子具有兩倍以上的位移閾能，那么在它停下來之前能使第二個原子位移，形成雙空位缺陷。當(dāng)初級反沖原子的能量更高時，產(chǎn)生級聯(lián)缺陷，這些缺陷部分被復(fù)合，部分在體內(nèi)遷移，與其他雜質(zhì)、缺陷、摻雜原子形成穩(wěn)定的缺陷團(tuán)。一次彈性散射碰撞后的中子平均能量由式(1)給出：

(1)

(2)

式中E0為中子初能，A為原子量。由此可知1 MeV中子傳遞給硅晶格原子的平均能量約為70 keV。而初級粒子產(chǎn)生率與其能量成平方反比關(guān)系[8]，即能量為E的初級粒子的產(chǎn)生率為1/E2，由此得出1 MeV 中子入射CCD后在體硅內(nèi)產(chǎn)生位移缺陷初級粒子的能量分布如圖6所示。

從圖中可以看出，位移缺陷初始反沖能絕大部分都小于100 eV。對硅原子而言，初始反沖能約為2 keV只產(chǎn)生點缺陷；反沖能在2～12 keV之間可形成一缺陷團(tuán)；反沖能大于20 keV后會形成一樹狀缺陷結(jié)構(gòu)，在各樹狀缺陷(包括點缺陷)末梢是終端缺陷團(tuán)。因此可以認(rèn)為，1 MeV中子入射CCD在體硅內(nèi)主要產(chǎn)生點缺陷，只有極少數(shù)的缺陷團(tuán)和缺陷簇。

圖6 1 MeV中子入射CCD后初級粒子產(chǎn)生率與其能量分布

Fig.6 Relationship between primary particles production rate and energy after 1 MeV neutron irradiation

圖2顯示，隨著中子注量的增加，暗信號線性增大。由Shockley-Read-Hall理論可知，CCD的體暗電流密度[9]可表示為

(3)

(4)

式中：Jgeneration為體暗電流密度(單位為nA/cm2)，W為耗盡區(qū)寬度，q為電子電荷量，ni為本征載流子濃度，τg為載流子的有效產(chǎn)生壽命，σn為電子俘獲截面，σp為空穴俘獲截面，vth為載流子速率，Nt為體缺陷能級。中子入射CCD器件后在像素單元耗盡區(qū)中產(chǎn)生位于禁帶中的缺陷能級，這些缺陷能級形成了新的復(fù)合-產(chǎn)生中心，使價帶的電子更容易躍遷至導(dǎo)帶，促進(jìn)了電子-空穴對的產(chǎn)生，增大了由于熱運動激發(fā)的載流子密度。中子注量越大則產(chǎn)生的缺陷能級越多，載流子通過能級躍遷的幾率就越大，從而使載流子的壽命τg減小，CCD的暗信號增大。

暗信號非均勻性主要是指由中子輻照后引起的各像素單元暗信號增大的不一致性，這種增大的不一致性主要是由入射中子與CCD體硅發(fā)生相對稀少的非彈性碰撞導(dǎo)致大量的位移能量沉積在一個像元里引起，從而使中子輻照在器件內(nèi)由于位移損傷效應(yīng)產(chǎn)生的缺陷團(tuán)分布不均勻。另一方面，由于暗信號生成機(jī)制較為復(fù)雜，其中多個機(jī)制與缺陷能級、電場等特性相關(guān)，對于CCD這種含有大量像素單元的器件受中子輻照后無法保證在像素與像素之間產(chǎn)生均勻性的缺陷能級，因此暗信號在像素陣列空間分布上呈現(xiàn)非均勻性，即暗信號非均勻性變大。

4.2 電荷轉(zhuǎn)移效率退化機(jī)理分析

本次實驗樣品的制備采用的是埋溝工藝，因此界面質(zhì)量的退化對電荷轉(zhuǎn)移效率的影響可以忽略不計。由上文分析可知，中子輻照在耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生大量的點缺陷，產(chǎn)生的缺陷中心主要為P-V中心、V-V中心、V-O中心。P-V中心為 N+層內(nèi)的摻雜原子磷與空位結(jié)合后形成穩(wěn)定缺陷，V-V中心為體硅中兩個空位相互結(jié)合，V-O中心為SiO2-Si界面附近的氧原子與空位相結(jié)合。表1給出了硅材料中點缺陷的能級、捕獲截面和發(fā)射時間[10]。

表1 硅材料中缺陷的能級、捕獲截面和發(fā)射時間

Tab.1 Energy level, capture cross-section and release time constant of defects in silicon

DefecttypesEnergylevel/eVCapturecross-section/cm2Releasetime/msP-V0.466×10-156×105V-V0.415×10-162×105O-V0.171×10-144×10-4

CCD信號電荷在轉(zhuǎn)移輸出的過程中，這些體缺陷能級不斷地捕獲、發(fā)射在埋溝中轉(zhuǎn)移的信號電荷，從而使電荷轉(zhuǎn)移效率退化。盡管俘獲的載流子后來又發(fā)射，但這部分載流子不一定被釋放回原來的電荷包中。這些體缺陷不但會引起陷阱能級，還有可能因為引起局部電勢的偏差導(dǎo)致勢阱或者勢壘，這將導(dǎo)致轉(zhuǎn)移時間變長、信號電荷轉(zhuǎn)移發(fā)生殘留。因此隨著中子輻照注量的增大，引入的體缺陷增多，電荷轉(zhuǎn)移效率將顯著退化。圖7為中子輻照引入的體缺陷影響電荷轉(zhuǎn)移示意圖。

圖7 中子輻照引入的體缺陷能級影響電荷轉(zhuǎn)移示意圖

Fig.7 Diagram of neutron radiation introduced defect level affects charge transfer

4.3 飽和輸出電壓退化機(jī)理分析

圖5結(jié)果顯示器件飽和輸出電壓具有一定的抗中子能力，整個實驗過程中其退化程度可以忽略不計。飽和輸出電壓主要由像素單元耗盡層深度和CCD片上讀出電路增益決定。CCD片上讀出電路由不同的MOSFET組成，包括厚柵氧的輸出柵極、薄柵氧的復(fù)位晶體管及大寬長比的放大電路，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。它是一個三級源跟隨器，由MOS管M1、M2、M3和作為偏置作用的有源負(fù)載Mc、Md組成，復(fù)位MOS管Mr的源極與節(jié)點電容、M1的柵極三者相連。MOSFET是以多數(shù)載流子工作的器件，對中子輻照不靈敏，有較強(qiáng)的抗中子能力[11]。即使中子輻照注量高達(dá)1014～1015n/cm2，MOSFET的主要電參數(shù)變化仍然很小。由于CCD片上放大器和像素單元均是MOS結(jié)構(gòu)，且本次實驗中子最大注量僅為15×1010n/cm2，因此實驗過程中CCD飽和輸出電壓的退化基本可以忽略不計。

圖8 CCD讀出電路結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié) 論

通過對64元CCD開展中子輻照實驗，分析了中子入射體硅后的輻照損傷機(jī)理，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，獲得了CCD的位移效應(yīng)：暗信號、暗信號非均勻性、電荷轉(zhuǎn)移效率是位移效應(yīng)的敏感參數(shù)。參數(shù)退化的主要原因是中子輻照誘發(fā)大量的體缺陷，這些缺陷能級增大了暗場條件下耗盡區(qū)熱載流子的發(fā)射幾率。在信號電荷讀出期間，體缺陷不斷發(fā)射和俘獲引起電荷轉(zhuǎn)移效率顯著退化。為深入開展CCD的抗輻照設(shè)計及準(zhǔn)確評估器件的抗位移輻照損傷性能提供科學(xué)依據(jù)，下一步將通過設(shè)計像素單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行輻照實驗，結(jié)合器件輻照效應(yīng)仿真技術(shù)，從微觀層面對輻照產(chǎn)生的有效缺陷進(jìn)行描述，定量分析CCD宏觀參數(shù)退化與微觀缺陷的聯(lián)系。

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汪波(1988-)，男，江蘇連云港人，博士研究生，2011年于中國礦業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事CCD、CMOS圖像傳感器的空間輻射效應(yīng)研究。

E-mail: chenxing198889@163.com

李豫東(1982-)，男，新疆伊犁人，博士，研究員，2009年于中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事光電成像器件空間輻射效應(yīng)方面的研究。

E-mail: lydong@ms.xjb.ac.cn

Neutron Irradiation Induced Displacement Damage Effects on Charge Coupled Device

WANG Bo1,2, LI Yu-dong1*, GUO Qi1, WANG Chao-ming3, WEN Lin1

(1.KeyLaboratoryofFunctionalMaterialsandDevicesunderSpecialEnvironmentsofChineseAcademyofSciences，XinjiangKeyLaboratoryofElectricInformationMaterialsandDevices，XinjiangTechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China；3.ChongqingOptoelectronicsResearchInstitute,Chongqing400060,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:lydong@ms.xjb.ac.cn

Displacement damage effects due to neutron irradiations of charge coupled devices were presented through the analysis of the dark signals behavior in pixel arrays. When the fluence of neutron reached the predetermined point, the change of dark signal, dark signal non-uniformity, charge transfer efficiency and saturated output signal was measured off line. The major effect of neutron induced displacement damage on charge coupled device is the increase in dark signals as a result of carrier generation in the bulk depletion region of the pixel. Although the increase in the mean dark signals with neutron irradiation is important, the dark signals non-uniformity is generally the biggest concern for charge coupled device applications in space. Very large dark signals pixels can be produced when a collision occurs in a high electric field region of a pixel as a result of electric field enhanced emission. Another important performance parameter for a charge coupled device is the charge transfer efficiency, which is the fraction of signal charge transferred from pixel to pixel during read out. If a signal charge is trapped by neutron induced defect, and remains trapped for more than one clock cycle, it will be lost from the signal charge packet. Saturation output signal voltage does not have any obvious degradation even at the highest DDD level. The research will help the designers to know the radiation damage in charge coupled device and improve the tolerance by radiation hardening design.

charge coupled devices; neutron irradiation; displacement damage effect; charge transfer efficiency; dark signal

1000-7032(2016)01-0044-06

2015-09-25；

2015-11-18

國家自然科學(xué)基金(11005152)資助項目

TN386.5

A

10.3788/fgxb20163701.0044