TCD132D線陣CCD總劑量效應(yīng)的實驗分析

王祖軍 ，張 勇，唐本奇，肖志剛，黃紹艷，劉敏波，陳 偉，劉以農(nóng)

(1.清華大學(xué)工程物理系粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點實驗室， 北京100084；2.西北核技術(shù)研究所， 西安710024)

電荷耦合器件CCD(charge coupled device)因其體積小、質(zhì)量輕、功耗低、量子效率高、動態(tài)范圍大、壽命長以及機械強度高等優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于航天器對地觀測、遙感、空間科學(xué)探測器等領(lǐng)域。長期工作在空間輻射環(huán)境中的CCD受電離輻照影響后，會產(chǎn)生總劑量效應(yīng)。總劑量效應(yīng)導(dǎo)致CCD暗信號增大、飽和輸出電壓下降、平帶電壓和閾值電壓漂移等現(xiàn)象，從而影響CCD正常工作，嚴(yán)重的會導(dǎo)致CCD功能失效。

國外從20世紀(jì)70 年代就對CCD的電離輻射損傷效應(yīng)開展了大量的實驗和理論研究，目前國外應(yīng)用在輻射環(huán)境中的CCD已經(jīng)具有很強的抗電離輻射能力，加固后的CCD抗總劑量能力高達(dá)1 000 krad(Si)。國內(nèi)對CCD的輻射效應(yīng)研究開展的較晚，國內(nèi)早期開展了表面溝道CCD的電離輻射效應(yīng)研究[1]和CCD柵氧化層電離輻射加固工藝研究[2]。隨著CCD制造技術(shù)的發(fā)展，目前使用的CCD多為埋溝CCD。國內(nèi)相關(guān)單位，如西北核技術(shù)研究所和中科院新疆理化所相繼開展了 TCD1208P和TCD1209D等商用線陣埋溝CCD總劑量損傷的劑量率效應(yīng)實驗研究[3]；中國空間研究院和重慶光電技術(shù)研究所也開展了CCD60Coγ電離輻射效應(yīng)實驗研究[4-5]。

由于CCD器件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，輻射敏感參數(shù)較多，不同類型和結(jié)構(gòu)的CCD其抗輻射能力也有差異，已報道的文獻(xiàn)對CCD輻照后敏感參數(shù)的實驗現(xiàn)象分析還不夠全面，對電離輻射效應(yīng)損傷機理研究需要大量的輻照實驗數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)。課題組已經(jīng)報道了線陣CCD總劑量效應(yīng)輻照測試系統(tǒng)設(shè)計[6]、模擬實驗方法[7]和電離輻射損傷機理研究[8]。本文通過對TCD132D線陣CCD60Coγ總劑量效應(yīng)輻照實驗結(jié)果進(jìn)行分析，得出了CCD分別在不加偏置電壓、加偏置電壓加驅(qū)動信號和加偏置電壓不加驅(qū)動信號三種工作狀態(tài)下，受60Coγ輻照后暗信號電壓和飽和輸出電壓隨總劑量累積的變化規(guī)律，為CCD抗電離輻照加固技術(shù)研究提供理論和實驗技術(shù)支持。

1 實驗

CCD總劑量輻照實驗在西北核技術(shù)研究所的60Coγ源上開展，60Coγ射線源的光子能量為 1.25 MeV，源強的不確定度為2.5%，輻照實驗過程中，60Coγ源的輻照劑量率為0.5 rad/s。選用TCD132D CCD作為被輻照器件。輻照時，被輻照器件分別對應(yīng)三種工作狀態(tài)：不加偏置電壓、不加驅(qū)動信號；加偏置電壓、不加驅(qū)動信號；加偏置電壓、加驅(qū)動信號。通過輻照板提供給被輻照器件偏置電壓和驅(qū)動信號。輻照后采用離線測試，選取暗信號電壓和飽和輸出電壓作為CCD的輻射敏感參數(shù)測量對象。輻照實驗共進(jìn)行兩批次，第一批60Coγ輻照選取了3片TCD132D CCD，其中：06#CCD加偏置電壓、不加驅(qū)動信號；07#CCD加偏置電壓、加驅(qū)動信號；08#CCD不加偏置電壓、不加驅(qū)動信號。根據(jù)第一批CCD輻照的實驗測試結(jié)果，開展了第二批60Coγ輻照，選取2片TCD132D CCD，其中：04#和10#CCD均不加偏置電壓、不加驅(qū)動信號。

TCD132D CCD是一種1024像元的線陣圖像傳感器，內(nèi)置了CCD驅(qū)動電路、嵌位電路、S/H電路和預(yù)放大電路。光敏元與CCD移位寄存器之間通過轉(zhuǎn)移柵隔離。轉(zhuǎn)移脈沖SH控制轉(zhuǎn)移柵的開啟和關(guān)斷，其周期是光積分時間，典型值為740us。內(nèi)置CCD驅(qū)動電路為 CCD提供驅(qū)動工作脈沖信號。TCD132D CCD工作過程如下：在轉(zhuǎn)移柵關(guān)斷期間，轉(zhuǎn)移脈沖SH為低電平，光敏單元處于光積分時間，接受外部光信號，光信號電荷進(jìn)入MOS電容存儲勢阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖SH轉(zhuǎn)為高電平，光信號電荷進(jìn)入CCD移位寄存器的勢阱中。在驅(qū)動時鐘脈沖的作用下，光信號電荷向信號輸出單元轉(zhuǎn)移，最后經(jīng)CCD輸出放大器檢出。一幀輸出信號由啞元、遮光元和光敏元組成[9]。

2 實驗結(jié)果與分析

CCD在既無光注入又無其它方式注入信號的情況下輸出的電壓信號稱為 CCD的暗信號電壓。在測試TCD132D CCD暗信號電壓時，取遮光元輸出電壓與飽和輸出電壓之差。圖1給出了07#CCD加偏置電壓、加驅(qū)動信號輻照，總劑量分別為2.5 krad(Si)和7.5 krad(Si)時的暗信號波形，從圖1中(a)和(b)對比可以看到輻照總劑量增大，遮光元輸出電壓與啞元輸出電壓差增大，即暗信號電壓增大，暗信號從75.4 mV增大到241 mV。圖2給出了04#CCD不加偏置電壓、不加驅(qū)動信號輻照，總劑量分別為6 krad(Si)和12 krad(Si)時的暗信號波形，暗信號從36.5 mV增大到113 mV。從圖1和圖2比較可以看到，不加偏置電壓、不加驅(qū)動信號輻照時，暗信號電壓隨總劑量增大比加偏置電壓、加驅(qū)動信號輻照時相對要小。

圖1 07#CCD加偏置電壓、加驅(qū)動輻照時的暗信號波形

圖2 04#CCD不加偏置電壓、不加驅(qū)動輻照時的暗信號波形

圖3(a)和(b)給出了10#CCD不加偏置電壓、不加驅(qū)動信號輻照，總劑量分別為12和21 krad(Si)時，不加光照時的輸出全幅波形，從圖3(a)中，總劑量為12 krad(Si)時，光敏元沒有飽和；從圖3(b)中，總劑量達(dá)到21 krad(Si)時，光敏元已經(jīng)完全飽和。此時，輻照誘發(fā)的暗信號已經(jīng)使CCD像元處于飽和狀態(tài)，此時， CCD已經(jīng)失去了光響應(yīng)能力，因而功能失效。

圖3 10#CCD不加偏置電壓、不加驅(qū)動輻照時一幀信號的全幅波形

第一批CCD輻照實驗時， 06#和07#加偏置電壓，總劑量達(dá)8.5 k rad(Si)時，不加光照， CCD像元就已經(jīng)飽和， CCD勢阱中已經(jīng)充滿輻照誘發(fā)的暗信號電荷，此時， CCD已經(jīng)無法感光成像，這種情況下CCD已經(jīng)功能失效。 08#CCD繼續(xù)增加總劑量到10.5 krad(Si)時，器件仍能正常工作。根據(jù)第一批CCD輻照的實驗測試結(jié)果，第二批輻照時，不斷增加04#和10#CCD在不加偏置電壓狀態(tài)下的輻照總劑量，直到總劑量達(dá)到21 krad(Si)時， CCD也功能失效。加偏置電壓時， CCD抗總劑量能力顯著降低，主要是由于CCD的光敏區(qū)，轉(zhuǎn)移區(qū)和輸出放大器主要有MOS結(jié)構(gòu)組成，加偏置條件下， MOS器件對電離輻射更敏感。

圖4 給出了60Coγ輻照總劑量效應(yīng)實驗時，06#、07#、08#、04#和10#TCD132D CCD暗信號電壓隨總劑量的變化曲線圖。在相同條件下，每次隨機測量5次暗信號電壓然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從圖4中可以看到隨總劑量增大，暗信號電壓增大，且加偏置電壓比不加偏置電壓時暗信號電壓增大幅度要大。暗信號增大機理是由于輻射誘發(fā)Si/SiO2之間界面態(tài)陷阱電荷增加，而界面態(tài)陷阱電荷在CCD表面具有很高的熱產(chǎn)生率，它們能與Si體內(nèi)的載流子發(fā)生作用， 導(dǎo)致熱產(chǎn)生電子-空穴對， 從而使暗信號增大。

圖4 TCD 132D CCD暗信號電壓隨總劑量的變化

圖5 給出了06#、07#、08#、04#和10#TCD132D CCD飽和輸出電壓隨總劑量的變化曲線圖。從圖5中可以看到隨總劑量增大，飽和輸出電壓減小，且加偏置電壓比不加偏置電壓時飽和輸出電壓減小顯著。 CCD飽和輸出電壓減小的機理是由于輻射損傷導(dǎo)致CCD輸出放大器工作點漂移，從而使飽和輸出電壓下降；由于CCD輸出放大器中的MOSFET在加偏置電壓時對輻射更敏感，所以加偏置電壓時，飽和輸出電壓減小更顯著。飽和輸出電壓減小將使CCD的動態(tài)范圍也減小。

圖5 TCD 132D CCD飽和輸出電壓隨總劑量的變化

通過CCD輻照總劑量效應(yīng)實驗的對比，可得出如下結(jié)論：(1)隨總劑量增大， TCD132D CCD暗信號電壓增大，且加偏置電壓比不加偏置電壓時暗信號電壓增大幅度要大；(2)隨總劑量增大， TCD132D CCD飽和輸出電壓減小，且加偏置電壓比不加偏置電壓時飽和輸出電壓減小顯著；(3)TCD132D CCD在加偏置電壓時的抗總劑量能力明顯低于不加偏置電壓輻照。從暗信號電壓和飽和輸出電壓參數(shù)輻照后的退化可以看到，在加偏置工作狀態(tài)下輻照，CCD對輻射更敏感。

3 小結(jié)

通過開展TCD132D線陣CCD60Coγ輻照實驗，得出了CCD總劑量效應(yīng)的實驗規(guī)律曲線；分析了TCD132D線陣CCD輻照后暗信號電壓和飽和輸出電壓的變化規(guī)律：隨總劑量增大， TCD132D CCD暗信號電壓增大、飽和輸出電壓減小；TCD132D CCD在加偏置電壓時比不加偏置電壓對輻射損傷更敏感。

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[ 6] 張勇，唐本奇，肖志剛，等.線陣CCD總劑量輻照效應(yīng)離線測量系統(tǒng)設(shè)計[J] .核電子學(xué)與探測技術(shù)， 2004， 24(5)：497-494.

[ 7] 唐本奇，張勇， 肖志剛，等.線陣CCD器件總劑量效應(yīng)模擬試驗研究[C] //固體核徑跡論文集——第八屆全國固體核徑跡學(xué)術(shù)會議論文集， 2004：152-154.

[ 8] 王祖軍， 唐本奇， 肖志剛， 等.CCD電離輻射損傷機理分析[J].核電子學(xué)與探測技術(shù)， 2009， 29(3)：565-570.

[ 9] 日本東芝公司.TCD 132D線陣CCD手冊[ S].1997：1-3.