高能質(zhì)子輻照導(dǎo)致電荷耦合器件性能退化研究

李 鈺， 文 林， 周 東， 李豫東， 郭 旗

(1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院， 北京 100081； 2. 中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所， 烏魯木齊 830011)

電荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)是一種高靈敏、低噪聲的光電成像器件，被廣泛應(yīng)用于遙感、氣象及天文等空間光電衛(wèi)星和光學(xué)載荷[1-8]。由于人造衛(wèi)星所處的空間軌道存在地球輻射帶、太陽質(zhì)子事件及銀河宇宙射線等輻射環(huán)境，輻射效應(yīng)導(dǎo)致參數(shù)退化是影響CCD空間應(yīng)用性能及可靠性的重要因素，尤其是地球輻射帶中高能質(zhì)子導(dǎo)致的位移損傷效應(yīng)[4,9-10]。地球輻射帶是圍繞地球的帶電粒子俘獲帶，由地磁場捕獲帶電粒子而形成，主要由高能質(zhì)子和高能電子組成，其中，質(zhì)子能量最高為500 MeV。質(zhì)子輻照產(chǎn)生的位移損傷效應(yīng)導(dǎo)致CCD暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率等參數(shù)退化，對CCD的成像性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響[11]。因此，對于應(yīng)用于空間環(huán)境中的CCD，必須開展輻射效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)，評估CCD參數(shù)和成像性能在高能質(zhì)子輻照下的退化情況。由于空間應(yīng)用的CCD一般位于衛(wèi)星殼體內(nèi)，受衛(wèi)星外殼屏蔽及光學(xué)載荷鏡頭等的影響，質(zhì)子能譜分布發(fā)生變化。如對于某LEO軌道的地球輻射帶質(zhì)子能譜分布情況進(jìn)行粗略計(jì)算，當(dāng)Al屏蔽球殼厚度為2.54 mm時(shí)，質(zhì)子能譜分布的峰值能量約為30 MeV；當(dāng)Al屏蔽球殼厚度為12.7 mm時(shí)，質(zhì)子能譜分布的峰值能量約為60 MeV[12]。隨著屏蔽材料厚度增加，質(zhì)子能譜分布的峰值能量變得更大。由于空間典型軌道環(huán)境中低能質(zhì)子成分更豐富，因此，無屏蔽材料的電子元器件主要受空間低能質(zhì)子位移損傷效應(yīng)的影響，而有屏蔽材料的電子元器件受低能質(zhì)子輻射的影響很小，受高能質(zhì)子輻射的影響更為嚴(yán)重。經(jīng)衛(wèi)星外殼屏蔽后，質(zhì)子能譜分布的峰值能量約為60 MeV。對寬能譜范圍質(zhì)子輻射導(dǎo)致的位移損傷效應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，可通過對寬能譜范圍內(nèi)每個(gè)能量的質(zhì)子進(jìn)行位移損傷效應(yīng)試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)。然而，在地面模擬試驗(yàn)中，受質(zhì)子加速器裝置能量可調(diào)范圍和機(jī)時(shí)等的限制，考慮成本和時(shí)間等因素，質(zhì)子位移損傷效應(yīng)評估只能選某一個(gè)或幾個(gè)能量的質(zhì)子進(jìn)行輻照試驗(yàn)，然后普遍采用非電離能損(non-ionizing energy loss, NIEL)等效方法對測試結(jié)果進(jìn)行內(nèi)插和外推以獲得完整的損傷譜[13]。

然而，使用NIEL等效方法仍然存在一些問題，如高能質(zhì)子入射導(dǎo)致復(fù)雜位移損傷缺陷產(chǎn)生的情況及可見光成像器件CCD的熱像素問題[14-18]。受質(zhì)子加速器裝置質(zhì)子能量可調(diào)范圍的限制，能量高于60 MeV的質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD位移損傷效應(yīng)的報(bào)道較少。本文基于西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)的質(zhì)子輻照條件，開展了能量高于60 MeV的質(zhì)子輻照試驗(yàn)，獲得了高能質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD性能退化的典型結(jié)果，提出了高能質(zhì)子輻照試驗(yàn)中需重點(diǎn)考察CCD的熱像素退化情況。

1 輻照試驗(yàn)

試驗(yàn)樣品為一款2K×1K像素的行間轉(zhuǎn)移面陣CCD器件，在XiPAF上完成60 MeV和100 MeV質(zhì)子輻照試驗(yàn)，輻照期間CCD所有管腳短接并接地，電偏置狀態(tài)為零偏置，試驗(yàn)樣品編號和質(zhì)子輻照條件列于表1。

表1 質(zhì)子輻照試驗(yàn)條件Tab.1 Irradiation test conditions

分別在質(zhì)子輻照前和輻照后對CCD進(jìn)行參數(shù)測試，主要測試的參數(shù)為暗電流、電荷轉(zhuǎn)移效率、飽和輸出電壓和熱像素，測試系統(tǒng)原理圖及實(shí)物圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 CCD參數(shù)測試裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of CCD parameter test equipment

圖2 CCD參數(shù)測試現(xiàn)場裝置實(shí)物圖Fig.2 CCD parameter test equipment

除因光照產(chǎn)生的電子外，可見光成像器件CCD會(huì)因熱激發(fā)產(chǎn)生電子-空穴對，即無光照時(shí)，CCD內(nèi)也會(huì)因熱激發(fā)產(chǎn)生電子，即暗電流。暗電流是指在無光照條件下，CCD的輸出信號隨積分時(shí)間線性增加。暗電流的測試主要是測試CCD輸出信號與曝光時(shí)間的變化關(guān)系。在規(guī)定條件下，通過改變CCD的積分時(shí)間，測試對應(yīng)積分時(shí)間下的輸出信號，然后以積分時(shí)間為橫坐標(biāo)，輸出信號為縱坐標(biāo)，由測試數(shù)據(jù)給出散點(diǎn)圖，并按最小二乘法，擬合出一條直線，該直線的斜率為CCD單位時(shí)間的暗信號，即暗電流。

CCD正常工作時(shí)，電荷包在勢阱之間順序轉(zhuǎn)移。電荷包經(jīng)像元轉(zhuǎn)移后存在電荷損失，電荷包電量會(huì)減小，損失的電荷則成為后序尾像元中的延遲電荷。CCD兩個(gè)相鄰轉(zhuǎn)移柵極之間有效信號電荷轉(zhuǎn)移的效率稱為電荷轉(zhuǎn)移效率。由于電荷轉(zhuǎn)移過程中損失的電荷成為后序尾像元中的延遲電荷，因此，可采用延遲的電荷(第1個(gè)拖尾像元或1組像元)來導(dǎo)出CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率。即在均勻光照條件下，光信號均勻地注入CCD，產(chǎn)生一個(gè)均勻的圖像。將圖像讀出后，使用額外的時(shí)鐘周期將損失的電荷產(chǎn)生的拖尾像元或通過掃描像素信號讀出，并除以傳輸次數(shù)和光場下像素中的信號，則得到電荷轉(zhuǎn)移損失率ε，電荷轉(zhuǎn)移效率η可表示為

η=1-ε

(1)

CCD的光響應(yīng)輸出信號是曝光量和曝光時(shí)間的線性函數(shù)。因此，在一定的輻照強(qiáng)度下，增加積分時(shí)間可改變?nèi)肷淦毓饬?。在一定的輻照?qiáng)度下，可見光圖像傳感器輸出信號的最大值為飽和輸出信號，用電壓值表示即稱為飽和輸出電壓。在一定的光照條件下，通過改變積分時(shí)間，測出對應(yīng)曝光量下的輸出信號，然后以曝光量為橫坐標(biāo)，輸出信號為縱坐標(biāo)，由測試數(shù)據(jù)給出散點(diǎn)圖，并按最小二乘法，分別對線性區(qū)及飽和區(qū)擬合出2條直線，2條直線的交點(diǎn)的縱坐標(biāo)即為器件的飽和輸出信號，轉(zhuǎn)換為電壓值即為飽和輸出電壓。

熱像素是CCD的暗信號尖峰。在CCD工作過程中，由于存在熱激發(fā)，在沒有光注入的情況下，CCD依然會(huì)出現(xiàn)信號電荷，這種信號稱為暗信號，輻射產(chǎn)生的缺陷在CCD像元內(nèi)分布不均勻?qū)е掳敌盘柗植汲霈F(xiàn)尖峰，即熱像素。N個(gè)像素的平均暗信號可表示為

(2)

其中，μd為N個(gè)像素的平均暗信號；μd,i為第i個(gè)像素的暗信號。在暗場條件下，CCD某些像素的暗信號μd,i高于像素的平均暗信號μd一定倍數(shù)R，則認(rèn)為此像素為熱像素。由此可以得到N個(gè)像素內(nèi)的熱像素?cái)?shù)目NH為

(3)

其中，

(4)

在實(shí)際測試中，一般使用R=1.5作為判定熱像素的條件。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

質(zhì)子輻照試驗(yàn)采用質(zhì)子的能量為60 MeV和100 MeV，由于輻照試驗(yàn)現(xiàn)場測試條件的限制，輻照偏置狀態(tài)僅選用零偏，即器件所有管腳短接后接地，輻照試驗(yàn)中CCD器件開帽，確保質(zhì)子能量和注量不會(huì)因?yàn)榉庋b材料的阻擋發(fā)生歧離。試驗(yàn)中，CCD的位移損傷效應(yīng)敏感參數(shù)暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率均出現(xiàn)退化，對位移損傷效應(yīng)不敏感的飽和輸出電壓沒有明顯變化。輻照注量為5×1010cm-2時(shí)，60 ，100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD的暗電流退化情況分別如圖3和圖4所示。由圖3可見，輻照前CCD的暗電流為10.15 mV·s-1，輻照后暗電流增加到258.51 mV·s-1。由圖4可見，輻照前CCD的暗電流為8.65 mV·s-1，輻照后暗電流增加到24.59 mV·s-1。

圖3 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)， 60 MeV質(zhì)子輻照前后CCD的暗電流退化情況Fig.3 The dark current degradation ofCCD before and after 60 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 cm-2

圖4 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)，100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD的暗電流退化情況Fig.4 The dark current degradation ofCCD before and after 100 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 cm-2

只對位移損傷效應(yīng)敏感的參數(shù)電荷轉(zhuǎn)移效率的退化情況為：60 MeV質(zhì)子輻照前為0.999 850，輻照后退化為0.999 768；100 MeV質(zhì)子輻照前為0.999 867，輻照后變?yōu)?.999 869。100 MeV質(zhì)子輻照后，電荷轉(zhuǎn)移效率沒有產(chǎn)生明顯的變化。表2所列為不同能量質(zhì)子輻照下電荷轉(zhuǎn)移效率的變化情況。

表2 不同能量質(zhì)子輻照下電荷轉(zhuǎn)移效率退化情況Tab.2 Degradation of charge transfer efficiency(CTE) underproton irradiation of different energies

將其他所有能量的質(zhì)子輻照試驗(yàn)結(jié)果中電荷轉(zhuǎn)移效率的變化量及電荷轉(zhuǎn)移效率隨NIEL的退化率進(jìn)行同一尺度下的計(jì)算和比較，可見，電荷轉(zhuǎn)移效率隨NIEL的退化率基本保持不變，表明在衡量電荷轉(zhuǎn)移效率退化情況時(shí)，CCD的位移損傷效應(yīng)可以在NIEL尺度下進(jìn)行歸一化的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測。

輻照注量為5×1010cm-2時(shí)，60,100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD的飽和輸出電壓退化情況如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可見，60,100 MeV質(zhì)子輻照前后沒有觀察到飽和輸出電壓的明顯退化。以前研究發(fā)現(xiàn)，飽和輸出電壓是電離總劑量效應(yīng)的敏感參數(shù)，對位移損傷不敏感[19]。圖5和圖6所示結(jié)果表明，輻照注量為5×1010cm-2時(shí)，60,100MeV質(zhì)子導(dǎo)致的輻射損傷以位移損傷為主。

圖5 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)， 60 MeV質(zhì)子輻照前后CCD的飽和輸出電壓退化情況Fig.5 The saturation output voltage degradation ofCCD before and after 60 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 cm-2

圖6 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)， 100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD的飽和輸出電壓退化情況Fig.6 The saturation output voltage degradation ofCCD before and after 100 MeV proton irradiation withirradiation dose of 5×1010 p·cm-2

以上研究發(fā)現(xiàn)，CCD的質(zhì)子輻照試驗(yàn)參數(shù)退化率隨質(zhì)子能量的變化在NIEL尺度下保持一致，即若采用NIEL尺度對不同能量的質(zhì)子輻照產(chǎn)生的位移損傷劑量進(jìn)行歸一化，則器件參數(shù)的退化情況不依賴于質(zhì)子能量，僅與總的NIEL的大小有關(guān)。

必須注意的是，以上參數(shù)均是器件的宏觀參數(shù)，損傷程度依賴于質(zhì)子在器件內(nèi)沉積的總能量。但對于CCD和CMOS圖像傳感器等光電成像器件，還有一種微觀參數(shù)，熱像素，其退化程度與質(zhì)子在器件材料中能量沉積的個(gè)體差異有關(guān)，因此僅憑借NIEL的大小不足以評估器件的位移損傷效應(yīng)。熱像素的質(zhì)子輻射效應(yīng)現(xiàn)象首先從圖像傳感器像素陣列的3維圖中發(fā)現(xiàn)，圖7和圖8分別為輻照注量為5×1010cm-2時(shí)，60，100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD像素陣列暗場下輸出信號的3D圖。其中，有尖刺的一半圖像為輻照后的像素。由圖7和圖8可見，輻照后，像素中出現(xiàn)大量的尖刺，稱為暗信號尖峰，即熱像素。尖刺的數(shù)目和灰度值水平分布沒有一定的規(guī)律，依賴于每個(gè)像素內(nèi)質(zhì)子能量沉積的隨機(jī)分布，與NIEL沒有對應(yīng)關(guān)系。

圖7 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)， 60 MeV質(zhì)子輻照前后CCD像素陣列暗場下輸出信號的3D圖Fig.7 3D image of the output signal of the CCD pixel arraywithout illumination before and after 60 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

圖8 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)， 100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD像素陣列暗場下輸出信號的3D圖Fig.8 3D image of the output signal of the CCD pixel arraywithout illumination before and after 100 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

輻照注量為5×1010cm-2時(shí)，60，100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD像素陣列暗場下的熱像素分布如圖9和圖10所示。其中，亮點(diǎn)為熱像素，沒有亮點(diǎn)的部分為輻照前的圖像。由圖9和圖10可見，盡管是不同能量的質(zhì)子輻照導(dǎo)致的現(xiàn)象，但進(jìn)行比較，由于熱像素分布不均勻，當(dāng)截取的區(qū)域不同時(shí)，熱像素的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯著不同。因此，對于熱像素這樣表征圖像傳感器像素間微觀差異的參數(shù)，不能采用NIEL尺度進(jìn)行評估，而應(yīng)針對具體器件類型，采用指定的質(zhì)子能量，并選擇與應(yīng)用有關(guān)的特性參數(shù)進(jìn)行輻照試驗(yàn)評估。

圖9 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)，60 MeV質(zhì)子輻照前后CCD像素陣列暗場下的熱像素分布Fig.9 Hot pixels distribution of CCD pixel array withoutillumination before and after 60 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

圖10 輻照注量為5×1010 cm-2時(shí)，100 MeV質(zhì)子輻照前后CCD像素陣列暗場下的熱像素分布Fig.10 Hot pixels distribution of CCD pixel array withoutillumination before and after 100 MeV proton irradiation with fluence of 5×1010 cm-2

3 小結(jié)

CCD是目前空間光電衛(wèi)星及光學(xué)載荷上廣泛采用的一種高靈敏、低噪聲的光電成像器件，高能質(zhì)子導(dǎo)致的位移損傷效應(yīng)是CCD空間應(yīng)用面臨的主要威脅。為保障空間應(yīng)用的可靠性，必須基于具體軌道環(huán)境的質(zhì)子能譜分布情況，進(jìn)行CCD位移損傷效應(yīng)地面模擬試驗(yàn)評估。然而，地面模擬試驗(yàn)條件及敏感參數(shù)還需進(jìn)行深入研究。本文針對空間環(huán)境中高能質(zhì)子輻射導(dǎo)致CCD性能退化評估的問題，通過開展能量高于60 MeV的質(zhì)子輻照試驗(yàn)，考察了CCD的重要性能參數(shù)暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率受質(zhì)子輻照的退化情況及質(zhì)子輻照后CCD的熱像素產(chǎn)生情況。研究發(fā)現(xiàn)：高能質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD性能退化的敏感參數(shù)包括暗電流、電荷轉(zhuǎn)移效率和熱像素，飽和輸出電壓對質(zhì)子輻照不敏感；輻照注量為5×1010cm-2，60 MeV和100 MeV的質(zhì)子輻照后，暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率出現(xiàn)了一定程度的退化，然而，更加顯著的退化表現(xiàn)為產(chǎn)生了大量的熱像素。通過采用NIEL等效分析發(fā)現(xiàn)：60 ，100 MeV質(zhì)子輻照導(dǎo)致暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率的退化可通過NIEL進(jìn)行等效，輻照注量相同的情況下，質(zhì)子能量越低，其在CCD內(nèi)產(chǎn)生的位移損傷劑量越大，暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率退化越嚴(yán)重；而熱像素產(chǎn)生則不能等效，輻照注量相同的情況下，60 MeV質(zhì)子導(dǎo)致的熱像素沒有顯著地多于100 MeV質(zhì)子，另一方面，質(zhì)子輻照后圖像中熱像素的分布不均勻，圖像不同區(qū)域內(nèi)熱像素的數(shù)量明顯不同。因此，在進(jìn)行高能質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD性能退化評估時(shí)，需重點(diǎn)考察熱像素產(chǎn)生情況，且需針對實(shí)際應(yīng)用的輻射環(huán)境，采用合適的質(zhì)子能量進(jìn)行更具針對性的輻照試驗(yàn)。

致謝

感謝西北核技術(shù)研究所王忠明給予的指導(dǎo)和幫助。