CCD器件輻射損傷參數測試方法

葛 釗，陳佳杰，李豫東，吾勤之

（1.上海航天技術研究院，上海 201109；2.中國科學院 新疆理化技術研究所，新疆 烏魯木齊 830011；3.上海航天基礎技術研究所，上海 201109）

0 引言

CCD是航天器與載荷的核心器件，在航天高分辨率對地觀測領域的應用廣泛。空間輻射環境作用于CCD可造成電離總劑量效應與位移損傷，導致器件性能退化甚至失效［1－2］。因此，CCD的抗輻射加固是保證航天器與載荷可靠性的關鍵技術。美國與歐洲的CCD抗輻射加固技術已達到很高的水平［3－4］。國內相關單位近年來也開展了CCD的γ射線、中子、質子輻照試驗研究，有一定的指導意義，但由于起步較晚，CCD的輻射損傷模擬試驗與測試技術、輻射效應與機理研究較薄弱，無法為抗輻射加固技術的發展提供有力的支撐［5－7］。本文在已有測試系統的基礎上，建立了CCD的輻射損傷參數定量測試與分析方法，并通過某TDI-CCD的輻照試驗與測試，研究了輻照前后的參數變化規律，對測試方法進行了驗證。

1 測試原理與方法

1.1 測試系統

為實現CCD輻射效應測試，建立了光電成像器件輻射效應測試系統，如圖1所示。該系統包括光學機械結構、電子學測試部分和控制部分。光學機械結構可為CCD的測試提供積分球均勻光源、波長可調的單色均勻光照明。電子學測試部分按功能劃分為控制及數據處理、光電響應性能測試、光譜響應性能測試、傳遞函數測試、光輻射定標五個分系統，可為CCD的測試提供工作偏置、驅動信號，完成工作狀態切換。控制部分可實現光學機械結構、電子學測試部分的控制，實現系統的結構一體化、操作自動化；實現測試數據處理功能。

圖1 測試系統Fig.1 Test system

1.2 參數測試原理與方法

CCD的主要性能參數有暗信號、電荷轉移效率、飽和輸出信號、光響應靈敏度、響應線性度、飽和曝光量、噪聲等效曝光量、信噪比、動態范圍、固定圖像噪聲、光譜響應和調制傳遞函數等。絕大多數參數均可根據數個基本參數算出。參考國內外CCD測試及輻射效應的相關研究，暗信號、固定圖像噪聲、飽和輸出信號、電荷轉移效率、光響應非均勻性和光譜響應等參數最能體現器件的基本性能，并反映輻射損傷內在物理機理［8－10］。因此，本文將上述參數作為研究重點，基于已有的測試系統，研究了相關測試原理與方法。

1.2.1 暗信號與固定圖像噪聲

CCD的暗信號是指在無光照條件下CCD像元產生的輸出信號，主要是由器件本身的熱生成載流子引起。暗信號也可用暗電流密度表征，

式中：Jd為器件的暗電流密度；Vd為暗信號電壓；q為電子電荷；T為熱力學溫度；Ad為器件的像元面積；Sv為器件的電荷－電壓轉換因子。

通過暗信號的測試，可反映受輻照后器件界面特性的變化以及誘發缺陷的情況。另外，暗信號增大會導致器件信噪比、動態范圍降低，嚴重影響器件的成像質量，并會增加器件功耗電流［11］。因此，有必要測試輻射損傷對器件暗信號的影響。在無光照條件下，器件的輸出信號會隨積分時間線性增加，由式（1）可得

式中：Kd為單位時間內暗信號電壓；t為器件的光積分時間。

CCD的固定圖像噪聲VFPN又被稱為暗信號非均勻性，指在無光照條件下，單位積分時間內器件光敏區各像元產生的輸出信號與輸出信號平均值的偏差。位移損傷造成的體缺陷（點缺陷、缺陷簇等）可導致像元暗信號的非均勻性，器件應用時，固定噪聲也將一步步傳輸至后一級，使器件信噪比與動態范圍下降。測試過程為：在規定的工作頻率和積分時間及溫度條件下，設積分時間為1s，采集多幀信號，計算各有效像元輸出信號均方根偏差，按

計算器件的輸出信號均方根偏差VDEV（即固定圖像噪聲）。此處：m為像元數；Voi為第i個像元平均輸出信號（多幀平均）；Vo為器件平均輸出信號。

1.2.2 電荷轉移效率與光響應非均勻性

CCD的信號電荷量從一個電極轉移到下一個電極，轉移前后電荷量的比值即電荷轉移效率ηt。輻照誘發的缺陷會導致器件內部載流子的俘獲、復合，而器件內部載流子產生、輸運可用電荷轉移效率表征［12］。電荷轉移效率降低將會導致信號電荷嚴重衰減，降低器件的動態范圍。因此，有必要測試輻射損傷對器件電荷轉移效率的影響。器件正常工作時，電荷包在勢阱間順序轉移。因電荷包轉移存在電荷損失，故電荷包經N個像元轉移后，其電量會減小，損失的電荷則成為后序尾像元中的延遲電荷，可用延遲電荷導出器件的電荷轉移效率，該測試方法被稱為擴展像元邊緣響應法［8］。測試時需向CCD提供均勻光照，使其處于半飽合狀態，再連續采集多幀圖像信號，取平均后再進行計算。電荷轉移效率可表示為

式中：ND為水平轉移總遲后單元電荷量或垂直轉移總遲后行電荷量；NLC為水平轉移行最后一個像元電荷量或垂直轉移幀信號最后一行總像元電荷量；NP為器件寄存器轉移的單元數乘以時鐘相數。

規定測試的行延遲拖尾像元數為1個，幀延遲拖尾像元行為一行。

高能帶電粒子輻照產生的位移損傷將使CCD的光響應非均勻性γPRNU顯著增大。γPRNU測試主要是計算像元間的響應差異，可采用標準均方根偏差計算方法。測試時使器件處于均勻光照條件，調節曝光量使器件的輸出信號約為飽和輸出信號的一半；采集多幀圖像，先計算Vo，再用標準均方根偏方差方法計算器件光響應非均勻性

1.2.3 飽和輸出信號

CCD的飽和輸出信號是指器件在正常工作狀態下輸出電壓的最大值，主要由器件耗盡層深度決定。耗盡層深度受外加柵壓控制，故飽和輸出信號變化可反映柵極閾值電壓的漂移信息，是研究器件電離輻射損傷的重要參數之一。光響應輸出信號是曝光量和曝光時間的線性函數，可調節積分時間以改變曝光量，通過測試輸出信號計算飽和輸出信號。測試時，向器件提供均勻光照，從小到大逐步調整曝光時間，同時采集器件的輸出信號；以曝光量為橫坐標，輸出信號為縱坐標，由測試數據給出散點圖，并用最小二乘法，分別在線性區和飽和區擬合出兩條直線，兩條直線交點的縱坐標即為器件的飽和輸出信號。

1.2.4 光譜響應

CCD的光譜響應是指器件對不同入射波長的響應度，反映了器件的靈敏度和響應范圍，是器件的核心指標。輻照可在半導體材料中引入缺陷能級，使器件的發光、光響應性能產生變化，通過測試器件響應度可研究器件內部產生缺陷能級的情況。CCD光譜響應度對應光生電荷的產生和收集過程，受電離總劑量效應影響較小，其變化可有效表征器件的位移損傷。測試原理如圖2所示。將器件放置于均勻單色光照條件下，測試電路提供器件的工作電源及驅動脈沖，并采集器件輸出信號，經轉換成數字信號，按特定的傳輸協議由數據采集模塊傳輸至計算機，進行后續數據處理，同時計算機可通過上位機軟件發送指令控制測試電路的工作條件，改變器件的工作頻率和曝光時間等。測試中器件處于單一波長的均勻光照下，測量器件的輸出電壓，并與該光照條件下標準量子阱探測器的響應值相除，所得值即是該入射波長下的器件響應。掃描器件的整個光譜響應范圍，可得器件的光譜響應

式中：M1（λ），M0（λ）分別為每一波長的器件和量子阱探測器響應值。

圖2 光譜響應測試原理Fig.2 Test principle of spectral response

2 TDI-CCD輻照試驗及測試

為對參數測試方法進行驗證，選取了某埋溝結構TDI-CCD樣品，用中科院新疆理化所60Co-γ的輻射源進行了總劑量輻照試驗。輻照劑量率為0.08Gy（Si）／s。試驗過程中選取了 25，50，100，200Gy（Si）四個劑量點進行移位測試，主要測試參數為暗信號、固定圖像噪聲、電荷轉移效率、光譜響應、飽和輸出信號等，典型測試結果如圖3～6所示。由結果可知：暗信號隨輻照劑量增加而明顯增大，但固定圖像噪聲、電荷轉移效率、光譜響應無明顯變化，在整個試驗中飽和輸出電壓和光響應非均勻性幾乎保持不變，故未給出結果。

圖3 不同總劑量下暗信號Fig.3 Dark signal under various total dose

圖4 不同總劑量下固定圖像噪聲Fig.4 Fixed image noise under various total dose

圖5 不同總劑量下電荷轉移效率Fig.5 Charge transfer efficiency under various total dose

圖6 不同總劑量和波長下光譜響應Fig.6 Spectral response under various total dose and waveband

由參數測試結果，結合TDI-CCD的器件原理，分析認為：由于60Co-γ射線輻照主要在CCD的MOS結構SiO2層中誘發氧化物陷阱電荷，在SiO2／Si界面處誘發界面態。隨著γ輻照劑量的增大，必然導致輻照誘發的表面暗電子數不斷增加，從而造成暗電流顯著增大；固定圖像噪聲的變化不明顯說明γ射線輻照未導致器件材料中產生大量體缺陷（點缺陷、缺陷簇等），沒有表現出明顯的位移損傷；對表面溝道CCD，電荷轉移效率對體缺陷與界面態較敏感，試驗中的TDI-CCD采用埋溝結構，電荷轉移在材料體內進行，顯著減少了器件界面處特性的變化對電荷轉移過程的影響，故在輻照中沒有明顯變化；光譜響應在輻照的前后沒有發現明顯變化說明器件的感光區域未明顯產生缺陷能級［13－14］。

3 結束語

本文對CCD器件的輻射損傷參數測試方法進行了研究。研究證實了CCD受60Co-γ射線輻照主要導致電離總劑量效應，但未導致明顯的位移損傷，這與相關報道相符［15－18］。本文CCD輻射損傷參數測試方法能用于CCD輻射效應模擬試驗研究，可為CCD的輻射損傷機理研究、抗輻射性能考核評估提供試驗數據。

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