EMCCD倍增增益老化分析與評價技術(shù)

李欽，吳瓊瑤，伍明娟，林瓏君，段大川，林雪梅

（ 中國電子科技集團(tuán)公司第四十四研究所，重慶 400060）

0 引言

微光成像技術(shù)在國防軍事、科學(xué)研究等領(lǐng)域中有著不可替代的作用。電子倍增電荷耦合器件（EMCCD）不需要借助像增強(qiáng)器便可實現(xiàn)微光成像，是真正意義上的全固態(tài)高靈敏度微光成像探測器。EMCCD具有體積小、壽命長和可靠性高等優(yōu)勢，能適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用，逐漸地發(fā)展成為新一代的先進(jìn)微光成像探測器件[1]。在衛(wèi)星全天時相機(jī)對地觀察、空間攻防、微光制導(dǎo)和科學(xué)研究等領(lǐng)域，EMCCD有著廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為各國競相發(fā)展的戰(zhàn)略高新技術(shù)[2]。

目前，空間用EMCCD芯片的設(shè)計與制造均由Teledyne（下屬E2V和DALSA）、Onsemiconductor和TI這3家美國公司完全掌握[3]，美國政府也對EMCCD技術(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品出口管制[2]。而我國全天時相機(jī)對地觀察等系統(tǒng)需要采用EMCCD，因此，急需針對國產(chǎn)化EMCCD開展倍增增益老化分析評價技術(shù)研究，提高國產(chǎn)EMCCD的可靠性及技術(shù)成熟度，以滿足我國相關(guān)航空航天及武器裝備的迫切應(yīng)用需求。

由于寄生效應(yīng)的存在，在使用一段時間后EMCCD的增益值會下降，即是EMCCD的老化效應(yīng)[3]。在相同的工作條件下，EMCCD壽命初期其倍增增益隨時間變化而快速地衰退；經(jīng)過一段工作時間后，倍增增益隨時間變化而緩慢地下降；壽命后期，倍增增益趨于穩(wěn)定。本文重點研究EMCCD倍增老化機(jī)理，分析工作電壓、工作溫度和工作頻率等對其老化速率的影響，搭建老化試驗及分析評價測試系統(tǒng)，針對國產(chǎn)1 024×1 024 EMCCD開展老化試驗，使其快速地進(jìn)入倍增增益穩(wěn)定期。

1 老化試驗及分析評價測試系統(tǒng)的搭建

選取編號為器件A、器件B和器件C的3只器件（如圖1所示）作為老化試驗樣品，并確定增益老化測試條件，如表1-3所示[4]。

圖1 1 kEMCCD低溫倍增老煉測試平臺及倍增老煉器件

表1 器件A增益老化測試條件

表2 器件B增益老化測試條件

表3 器件C增益老化測試條件

2 倍增穩(wěn)定性實測數(shù)據(jù)

2.1 器件A的倍增穩(wěn)定性測試

a）初次倍增穩(wěn)定性測試

將芯片先制冷到-20 ℃，調(diào)節(jié)器件A的倍增電壓，使倍增倍數(shù)達(dá)到200倍，每小時記錄其倍增倍數(shù)的變化值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 器件A初次倍增穩(wěn)定性測試(-20 ℃)

從圖2中可以看出，測試期間前8 h倍增倍數(shù)的衰減速度快，100 h后穩(wěn)定在40倍左右。

b）第二次倍增穩(wěn)定性測試

第一次倍增后器件A斷電2 h，重新上電時先將芯片制冷到-20 ℃，然后調(diào)節(jié)倍增電壓，使倍增倍數(shù)達(dá)到520倍，結(jié)果如圖3所示。

圖3 器件A第二次倍增穩(wěn)定性測試(-20 ℃)

從圖3中可以看出，測試期間前3 h的倍增倍數(shù)穩(wěn)定在500倍以上，100 h后仍穩(wěn)定在260倍左右。

第二次倍增穩(wěn)定性測試結(jié)束后器件斷電兩天，再上電制冷到-20 ℃，調(diào)節(jié)倍增電壓使倍增倍數(shù)達(dá)到500倍，在無光照條件下測試倍增區(qū)的讀出噪聲為2.23 mV，取cvf=6，換算等效噪聲電子為0.74個，說明此時器件已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定性噪比狀態(tài)。

2.2 器件B的倍增穩(wěn)定性測試

a）初次倍增穩(wěn)定性測試

將芯片先制冷到-20 ℃，調(diào)節(jié)器件B的倍增電壓，使倍增倍數(shù)達(dá)到900倍，每小時記錄其倍增倍數(shù) 的變化值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 器件B初次倍增穩(wěn)定性測試

從圖4中可以看出，測試期間前8 h倍增倍數(shù)的衰減速度快，100 h后穩(wěn)定在200倍左右。

b）第二次倍增穩(wěn)定性測試

第一次倍增后器件B斷電24 h，重新上電時保持器件工作點與第一次倍增起始點一致(芯片制冷溫度為-20 ℃，設(shè)定的倍增電壓與第一次一致)，計算此時倍增倍數(shù)約為200倍，與第一次倍增老化結(jié)束時基本一致。每小時記錄其倍增倍數(shù)的變化值，如圖5所示。

圖5 器件B第二次倍增穩(wěn)定性測試

從圖5中可以看出，測試期間前30 h的倍增倍數(shù)穩(wěn)定在200倍左右，30 h后倍增倍數(shù)開始衰減。

2.3 器件C的倍增穩(wěn)定性測試

將芯片先制冷到-20 ℃，調(diào)節(jié)器件C的倍增電壓，使倍增倍數(shù)達(dá)到800倍，每24 h記錄其倍增倍數(shù)變化值。老煉期間每24 h觀察倍增倍數(shù)的變化趨勢，適當(dāng)?shù)馗淖儽对鲭妷?，讓倍增倍?shù)維持在800倍左右，觀察有外部干預(yù)的情形下器件倍增倍數(shù)的衰減趨勢，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 器件C倍增穩(wěn)定性測試

從圖6中可以看出，由于該只器件從未進(jìn)行過老煉測試，在前3天的每24 h老煉循環(huán)周期里倍增倍數(shù)衰減很快，大約100 h后趨于穩(wěn)定；在200 h后，一個循環(huán)周期內(nèi)，倍增穩(wěn)定度能達(dá)到5.35%。

3 結(jié)束語

此老化測試方法模擬了EMCCD在實際使用場景的器件參數(shù)要求，得出了器件在同一工作溫度(-20 ℃)、不同的起始倍增倍數(shù)下，以及不調(diào)節(jié)倍增電壓和調(diào)節(jié)倍增電壓的情況下倍增倍數(shù)的衰減趨勢，對器件的衰減穩(wěn)定性進(jìn)行了量化評估[5]。同時為國產(chǎn)1 024×1 024 EMCCD老化工藝文件的編寫提供了一定的數(shù)據(jù)支撐，使得國產(chǎn)1 024×1 024 EMCCD在生產(chǎn)完成后快速地進(jìn)入增益穩(wěn)定期，滿足用戶的使用需求。