圖像傳感器單粒子效應脈沖激光實驗研究

曹 洲，把得東，薛玉雄，高 欣，安 恒 ，陳世軍，翟厚明

(1.蘭州空間技術物理研究所 真空低溫技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.上海技術物理研究所 中國科學院紅外成像材料與器件重點實驗室，上海 200083)

0 引言

由于CMOS圖像傳感器具有功耗低、集成度高、體積小、抗干擾能力強、單一電源供電等優點，在航天器中有著廣泛的應用前景。如在深空探測、高分辨率圖像傳感、納米衛星等中作為關鍵部件，其應用領域表現出極大的潛力。空間輻射環境中充斥著高能帶電粒子，如高能重離子等[1]，當CMOS圖像傳感器工作在空間輻射環境中時，重離子誘導的單粒子效應將對傳感器造成輻射損傷和故障，甚至會導致器件失效。因此，研究CMOS 圖像傳感器的空間單粒子效應及加固設計十分必要，文章進行了CMOS 圖像傳感器的空間單粒子效應脈沖激光模擬試驗研究，分析了試驗結果，探討了新型成像器件單粒子效應的特點和損傷機理。

1 器件結構與原理簡介

試驗中采用的樣品為512×512 CMOS APS 圖像傳感器,器件采用3T APS結構方式設計，25 μm間距512×512像素陣列，工作在可見光550～750 nm波段范圍內。器件采用雙采樣電路消除固定圖像噪聲，具有增益可變和積分時間可調等功能。器件封裝形式為64陶瓷針柵陣列管座封裝。

1.1 電路結構

512×512 CMOS APS可見光圖像傳感器的總體電路結構框圖如圖1所示。圖中虛框中的時序電路由外部提供。

圖1 512×512 CMOS可見光圖像傳感器總體框圖

成像器由像素列陣、兩個行控制移位寄存器Yrd和Yrst、列信號讀出移位寄存器Xrd、列輸出電荷放大器、雙采樣保持電路等組成。器件的光敏感區由512行像素單元組成，每行包含像素520個單元，其中有效像素為512個，像素之間的間距為25 μm。

成像器工作模式為滾動快照模式，整個曝光過程是逐行順序曝光，但是每一行內的像素是同時曝光。曝光后通過行選擇電路來選取要讀出的像素行，一行內的像素通過列移位寄存器順序選通讀出。在滾動快照模式下，一般來說，器件的積分時間應大于或等于幀讀出時間。為了實現積分時間小于幀讀出時間的工作狀態，電路采用兩路行掃描移位寄存器，其中一路控制行的選通讀出(READ)，另一路控制行復位(RESET)。圖1中左邊移位寄存器控制行信號讀出，右邊移位寄存器控制行復位，積分時間Tint為行復位和行讀出之間的時間間隔。

1.2 像素結構及工作原理

像素采用3T 有源結構[2]，如圖2所示，其具有較高的二極管填充因子。晶體管T2把積累在光電二極管PN結上的電荷轉化成電壓信號(如圖2 所示PD節點)，再把這個電壓信號通過T3選通管傳遞到列總線(Column Bus)上去。RESET和READ作為晶體管的開關控制信號如圖3所示，由兩個行移位寄存器控制。

圖2 3T像素結構

圖3 3T像素結構工作原理

行移位寄存器(Yrd、Yrst)和列移位寄存器(Xrd)分布在陣列外圍，各自獨立工作，兩個行移位寄存器位數為512，列移位寄存器用于選擇每行列信號的讀出，它的位數為520。同一列所有像素的輸出都連接到列總線，且在列總線上都有一個放大采樣電路。輸入信號控制列電荷放大器復位參考電壓輸出，電荷放大器將像素的復位電壓和光信號電壓的差值進行放大，它可以消除像素級的固定圖像噪聲(FPN)，列電荷放大器輸出的信號經過雙采樣電路，由R、S輸入信號分別控制光信號和復位參考信號輸出。

2 實驗設備與方法

激光模擬單粒子效應試驗系統主要由激光器系統、聚焦定位系統、控制單元等組成[3]。激光器波長分別為1 064 nm/532 nm、1 079 nm/540 nm； 脈寬分別為20～30 ps、20～30 ns；脈沖激光束聚焦光斑直徑約1.8～3.0 μm，試驗CMOS APS樣品板固定在X-Y移動平臺上，平臺可三維調節，最小移動步長為0.125 μm，最大移動面積100 mm×1 000 mm。試驗過程中，首先對脈沖激光模擬試驗系統的激光束進行精確的聚焦定位，其次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圖像傳感器進行照射。圖4給出了照射位置示意圖(十字光標線位置)。

通過數字存儲示波器對CMOS圖像傳感器APS器件輸出波形進行監測，從而判斷器件是否發生單粒子翻轉現象。通過監測CMOS圖像傳感器電源電流的變化情況，判斷器件是否發生單粒子鎖定現象。在實驗過程中,依據CMOS圖像傳感器的結構特點,首先針對可能對單粒子效應比較敏感的移位寄存器開展了初步的摸底試驗，摸底試驗表明，移位寄存器的不同位置，其發生單粒子效應的敏感性不同。

針對產生單粒子效應的脈沖激光能量，試驗中采用逐漸能量逼近的方法(逐漸升高或降低輻照脈沖激光能量)，確定CMOS圖像傳感器APS器件發生單粒子翻轉或單粒子鎖定的能量閾值。利用上述方法完成了CMOS圖像傳感器APS器件發生單粒子效應的檢驗試驗，在實驗研究中，重點針對CMOS圖像傳感器中的移位寄存器開展了單粒子效應敏感性實驗，分別采用波長為1 064 nm、1079 nm的脈沖激光，獲得了圖像傳感器中移位寄存器，輸出端BUFFER區，輸入端BUFFER區及象素區域的單粒子效應特征參數，主要包括發生單粒子效應的脈沖激光能量閾值、鎖定電流大小及達到的未發生單粒子效應的最大激光能量值等。

圖4 CMOS圖像傳感器照射位置圖片

3 分析與討論

結合CMOS圖像傳感器結構特點，通過對實驗數據的分析，發現CMOS圖像傳感器的單粒子效應與其它集成電路(如SDRAM、A/D等)的單粒子效應具有明顯的區別[4]。在針對圖像傳感器移位寄存器的實驗中發現，單粒子翻轉和單粒子鎖定幾乎是同時發生的，在其它區域也發現了類似現象。表1給出了CMOS圖像傳感器單粒子效應敏感性數據分析。從表1中可以看出，就傳感器移位寄存器而言，不同位置的單粒子效應敏感性差別較大，在位置4區域，發生單粒子翻轉和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值僅為1.74 nJ，而在位置9，當脈沖激光能量達到120 nJ時，仍未發生單粒子翻轉和單粒子鎖定現象；這種差別也許與移位寄存器的行列構成差別有關，從1.2節知道，在列寄存器前端存在著列電荷放大器，也許最敏感的位置4區域就是列電荷放大器區域。鎖定電流測試數據也表明，不同位置發生鎖定后的電流大小不同，最小電流為55 mA，最大電流達到230 mA。在器件的輸出和輸入端BUFFER區域，單粒子效應的敏感性差別不是很大。在CMOS圖像傳感器的其它區域，也發現了單粒子翻轉和單粒子鎖定現象。

表1 CMOS圖像傳感器單粒子效應敏感性

在實驗研究中，針對CMOS圖像傳感器中的移位寄存器開展單粒子效應加固設計措施有效性的實驗驗證，采用波長為1 079 nm的脈沖激光，獲得圖像傳感器中移位寄存器，BUFFER區的單粒子效應特征參數，主要包括發生單粒子效應的脈沖激光能量閾值、鎖定電流大小及達到的未發生單粒子效應的最大激光能量值等。在CMOS圖像傳感器試驗樣品結構設計中，采用對單粒子鎖定有一定防護作用的保護環結構方式[5]，通過對實驗數據的分析發現，單粒子鎖定防護的保護環設計是有效的。當脈沖激光能量從約20 nJ增加到約140 nJ時，均未觀測到單粒子鎖定的發生。當脈沖激光束能量穩定在50 nJ左右時，對加固器件的不同部位進行掃描照射，均未觀測到單粒子鎖定發生。依據脈沖激光能量等效重離子LET值的計算方法[6]，考慮到器件結構對脈沖激光能量調制和屏蔽，則50 nJ脈沖激光能量約等效重離子LET值為115.0 MeV·cm2/mg。非加固器件的比較實驗表明，當脈沖激光能量達到11.9 nJ(等效重離子LET約27.4 MeV·cm2/mg)時，器件發生了單粒子鎖定，從另一方面說明了加固設計措施的有效性。

4 結論

脈沖激光模擬實驗結果表明，CMOS圖像傳感器APS器件在空間輻射環境中會誘發兩種主要單粒子效應現象,既單粒子翻轉(SEU)和單粒子鎖定(SEL)，實驗也驗證了CMOS圖像傳感器APS器件抗單粒子鎖定設計措施的有效性。在針對圖像傳感器移位寄存器的實驗中發現，單粒子翻轉和單粒子鎖定幾乎是同時發生的，在其他區域也發現了類似現象。實驗中發現了CMOS圖像傳感器發生單粒子效應的主要特點，同時,也確定了器件發生單粒子翻轉和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值, 獲得了器件發生鎖定時的電流大小。在不同部件、同一部件的不同位置，CMOS圖像傳感器發生單粒子翻轉和單粒子鎖定的能量閾值不同。就CMOS圖像傳感器單粒子效應敏感性而言，在列寄存器區域最易發生單粒子效應，這是由于其前端存在著列電荷放大器的原因所致。比較實驗表明,CMOS圖像傳感器的單粒子鎖定保護環加固設計是有效的。

參考文獻：

[1]Feynman J, Gabriel S B. High-energy charged particles in space at one astronomical[J]. IEEE TransNucl. Sci,1996,43(2):344-352.

[2]Eric R Fossum. CMOS active pixel image sensors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1997,395:291-297.

[3]曹洲, 薛玉雄, 楊世宇, 等.單粒子效應激光模擬試驗技術研究[J].真空與低溫, 2006,12(3):166-172.

[4]Phil Layton, Scott Kniffin, Steven Guertin, et al. SEL induced latent damage, testing, and evaluation[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2006, 53(6):3153-3157.

[5]TerrillK W, Hu C. Substrate resistance ca1culation for latchup modeling[J]. IEEE Trans Electron Dev, 1984, 31(9):1152-1155.

[6]田愷，曹洲，薛玉雄, 等.脈沖激光能量等效重離子LET研究[J].原子能科學技術，2010,44(4):489-493.