CMOSAPS光電器件單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)研究

安 恒，楊生勝，苗育君，薛玉雄，曹 洲，張晨光

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

CMOSAPS光電器件單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)研究

安 恒，楊生勝，苗育君，薛玉雄，曹 洲，張晨光

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

CMOSAPS光電器件因低功耗、小體積的特點(diǎn)已成為遙感衛(wèi)星成像的重要發(fā)展方向。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，其單粒子效應(yīng)已經(jīng)成為一個(gè)影響可靠性的重要因素。針對CMOSAPS光電器件，利用實(shí)驗(yàn)室脈沖激光模擬單粒子效應(yīng)設(shè)備模擬了重離子在APS光電器件中引起的輻射損傷，分析了CMOSAPS光電器件內(nèi)部不同功能單元對單粒子效應(yīng)的敏感性，獲得了單粒子效應(yīng)敏感參數(shù)。結(jié)果表明，CMOSAPS光電器件在空間輻射環(huán)境中會(huì)誘發(fā)單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定。研究結(jié)果為進(jìn)一步分析CMOSAPS光電器件的抗輻射加固設(shè)計(jì)提供了理論支持。

CMOSAPS；單粒子效應(yīng)；脈沖激光

0 引言

CMOSAPS光電器件因高速光電轉(zhuǎn)換性、低功耗、體積小、質(zhì)量輕以及良好的抗空間輻射特性，在遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等衛(wèi)星圖像采集方面正逐步取代原有的CCD（Charge Coupled De?vice）光電器件，特別是在微納型衛(wèi)星等航天器成像系統(tǒng)應(yīng)用中，CMOSAPS光電器件表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢。國外已將CMOSAPS光電器件應(yīng)用于火箭、衛(wèi)星、空間站以及航天飛機(jī)等重要飛行器的可視化遙測中，在衛(wèi)星發(fā)射、空間交會(huì)、繞飛觀測以及安全監(jiān)視等方面發(fā)揮著重要作用，如歐空局（ESA）已采用CMOSAPS光電器件作為星敏感器和視頻監(jiān)視相機(jī)；美國軌道快車（Orbital Express）計(jì)劃中，將CMOSAPS光電器件用于近距離交會(huì)對接測量的先進(jìn)視頻導(dǎo)航傳感器中[1-2]。近年來，在高分衛(wèi)星、對地觀測衛(wèi)星以及空間實(shí)驗(yàn)中也在逐步應(yīng)用CMOS APS光電器件[3]。隨著光電器件在軌運(yùn)行時(shí)間的延長，空間帶電粒子對其造成的輻射危害越來越嚴(yán)重，尤其是高能重離子輻照引起單粒子效應(yīng)的頻次越來越高，需要進(jìn)一步分析CMOSAPS光電器件在空間帶電粒子環(huán)境下的單粒子效應(yīng)危害程度?；诳臻g重離子引起單粒子效應(yīng)的原理分析，結(jié)合APS光電器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和空間應(yīng)用特性，利用脈沖激光模擬了單粒子效應(yīng)現(xiàn)象，獲得了APS光電器件內(nèi)部不同敏感區(qū)域的單粒子效應(yīng)及敏感參數(shù)。

1 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)樣品為國產(chǎn)CMOSAPS光電器件，開封后形貌如圖1所示。器件像素間距為25μm，器件包含固定圖像噪聲抑制、相關(guān)雙采樣等電路模塊，器件具有增益可變和積分時(shí)間可調(diào)等功能。

圖1 CMOSAPS光電器件Fig.1 CMOSAPSphotoelectric device

光電器件的像素采用3T有源結(jié)構(gòu)，如圖2所示。晶體管T2把積累在光電二極管PN結(jié)上的電荷轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)（如圖2所示PD節(jié)點(diǎn)），再把這個(gè)電壓信號(hào)通過T3選通管傳遞到列總線（Column Bus）上去。RESET和READ作為晶體管的開關(guān)控制信號(hào)（如圖3所示），由兩個(gè)行移位寄存器控制[4-6]。

圖2 光電器件的3T像素結(jié)構(gòu)Fig.2 3T structure for pixelsof photodevice

圖3 3T像素結(jié)構(gòu)的工作原理Fig.3 operationalprinciplesof3T structure forpixels

試驗(yàn)依據(jù)CMOSAPS光電器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先對脈沖激光模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的激光束（波長1 064 nm）進(jìn)行精確的聚焦定位，通過改變光路中附加的衰變器，獲得一定范圍能量值的入射脈沖激光對CMOS APS光電器件內(nèi)部的主要功能模塊（移位寄存器、Buffer區(qū)等）進(jìn)行輻照。通過示波器對CMOSAPS光電器件輸出波形進(jìn)行監(jiān)測，從而判斷器件是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，同時(shí)通過監(jiān)測CMOS光電器件電源電流的變化情況，判斷器件是否發(fā)生單粒子鎖定現(xiàn)象。另外，針對產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的脈沖激光能量，采用能量漸近的方法（以特定步長逐步升高或降低脈沖激光的能量），確定了CMOSAPS光電器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或單粒子鎖定的能量閾值[7-9]。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

皮秒脈沖激光輻照CMOSAPS光電器件的移位寄存器，脈沖激光能量范圍為5.72～63.5 nJ，試驗(yàn)中觀測到了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1 皮秒激光輻照移位寄存器的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 resultsof shifting register irradiated by picosecond laser

試驗(yàn)結(jié)果表明，激光入射到移位寄存器不同位置時(shí)，發(fā)生單粒子效應(yīng)的敏感性也不同。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，光電器件移位寄存器的單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定幾乎是同時(shí)發(fā)生的。

脈沖激光輻照CMOSAPS光電器件輸入端Buf?fer區(qū)時(shí)，同樣也發(fā)現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定是同時(shí)發(fā)生的，結(jié)果如表2所示。

表2 脈沖激光輻照光電器件的輸入端Buffer區(qū)Table2 resultsof buffer of photodevice irradiated by picosecond laser

結(jié)合CMOS光電器件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過對比上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)CMOS光電器件的單粒子效應(yīng)與其他集成電路（如SRAM、CPU等）的單粒子效應(yīng)具有明顯的區(qū)別。表3給出了CMOS光電器件單粒子效應(yīng)敏感性總結(jié)分析。

表3 CMOS光電器件單粒子效應(yīng)敏感性對比Table3 sensitivenessof CMOSphotodevice

從表3中可以看出，對于移位寄存器而言，不同位置的單粒子效應(yīng)敏感性差別很大，在位置1區(qū)域，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值僅為5.72 nJ，而在位置2，當(dāng)脈沖激光能量達(dá)到14.2 nJ，這種差別與移位寄存器的行列構(gòu)成差別有關(guān)。鎖定電流測試數(shù)據(jù)也表明，不同位置發(fā)生鎖定后的電流大小不同，最小電流為55 mA，最大電流達(dá)到230 mA。在器件的輸出和輸入端Buffer區(qū)域，單粒子效應(yīng)的敏感性差別不是很大。在CMOS光電器件的其他區(qū)域，也發(fā)現(xiàn)了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定現(xiàn)象。

3 結(jié)論

通過脈沖激光模擬試驗(yàn)，分析了CMOSAPS光電器件內(nèi)部的輻射損傷特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，CMOSAPS光電器件在空間輻射環(huán)境中主要會(huì)誘發(fā)兩種單粒子效應(yīng)現(xiàn)象，即單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）和單粒子鎖定（SEL）。脈沖激光輻照光電器件的移位寄存器發(fā)現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定幾乎是同時(shí)發(fā)生的，同時(shí)在光電器件輸入端Buffer區(qū)域也會(huì)出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。另外，當(dāng)激光輻照在CMOSAPS光電器件內(nèi)部同一部件的不同位置，其發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的能量閾值也不同，如在列寄存器區(qū)域最易發(fā)生單粒子效應(yīng)，這是由于前端存在著列電荷放大器的緣故所致。

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AN INVESTIGATION ON SINGLE EVENT EFFECTSOFCMOSAPS IMAGE SENSORW ITH PULSE LASER

AN Heng，YANG Sheng-sheng，M iao Yu-jun，XUEYu-xiong，CAO Zhou，ZHANG Chen-guang
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

With less energy consumption，small volume and less weight，CMOS APS is already a major development direction of imaging for remote sensing satellites. During the satellites flying on orbit，electron devices are exposed in space radiation，and degraded by space charged particles. Along with the improvement of semiconductor technology，sensibility of single event effect is more obvious，and is a key factor of reliability. Based on equipment on simulation of single event effect with pulse laser，radiation damage of CMOS APS irradiated by heavy ions is discussed. And sensibility of CMOS APS’ s different functional unit for single event effect is also analysed，obtaining sensitive parameter of single event effect. The result could be used for the design of radiation hardening for CMOS APS image sensor.

CMOS APS；single event effect；pulse laser

V416.5；TN248

A

1006-7086（2017）04-0223-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.007

2017-02-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.11375078）

安恒（1982-），男，甘肅定西人，碩士，工程師，從事空間輻射效應(yīng)及新型有效載荷技術(shù)工作。E-mail：ahllbl@126.com。