電荷耦合器件中子輻照誘發的位移效應

汪 波， 李豫東， 郭 旗， 汪朝敏， 文 林

(1. 中國科學 院特殊環境功能材料與器件重點實驗室， 新疆電子信息材料與器件重點實驗室， 中國科學院 新疆理化技術研究所， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 重慶光電技術研究所， 重慶 400060 )

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電荷耦合器件中子輻照誘發的位移效應

汪 波1,2， 李豫東1*， 郭 旗1， 汪朝敏3， 文 林1

(1. 中國科學 院特殊環境功能材料與器件重點實驗室， 新疆電子信息材料與器件重點實驗室， 中國科學院 新疆理化技術研究所， 新疆 烏魯木齊 830011；2. 中國科學院大學， 北京 100049； 3. 重慶光電技術研究所， 重慶 400060 )

為研究電荷耦合器件空間輻照效應、參數退化機理，對國產64×64像元電荷耦合器件進行了中子輻照位移損傷效應研究。樣品在中子輻照下，暗信號、暗信號非均勻性和電荷轉移效率等關鍵性能參數退化顯著。研究結果表明：暗信號的退化是由于中子輻照產生的體缺陷能級在耗盡層中充當復合-產生中心，增大了熱載流子的產生率所致，而各像素單元暗信號退化的不一致性使暗信號非均勻性增大；電荷轉移效率顯著減小則是由于中子輻照在轉移溝道中產生的體缺陷不斷捕獲、發射電子所引起。在整個實驗過程中，飽和輸出電壓的退化可以忽略不計，表現出較好的抗位移損傷能力。

電荷耦合器件； 中子輻照； 位移效應； 電荷轉移效率； 暗信號

1 引 言

電荷耦合器件(Charge coupled device，CCD)是空間光學衛星的核心器件，在航天對地偵察、目標監視、姿態控制等方面發揮著不可替代的作用?？臻g高能帶電粒子輻射環境作用于器件，可導致器件的靈敏度、動態范圍、信噪比等指標退化，將嚴重影響衛星與載荷的在軌應用性能與運行壽命[1-3]。因此，研究CCD的空間輻照效應、損傷機理，并對器件的抗輻照能力進行準確預估，是宇航級CCD研制及其空間應用的關鍵。

美國、西歐較早開展了CCD質子、γ射線、中子、電子等不同粒子的輻照損傷效應研究。隨著CCD制造工藝、器件結構、工作模式的不斷改進，CCD抗電離總劑量效應能力不斷提高，但空間高能質子和電子輻照導致CCD產生位移效應的問題日益突出。高能粒子入射器件內部，將導致CCD體暗電流與噪聲增大、電荷轉移效率衰減、出現隨機電碼信號現象，造成器件性能嚴重退化[4-6]。例如，加拿大DALSA公司的高電阻系數Si制造的P埋溝背照射CCD，輻照前器件的電荷轉移效率為0.999 999，受2 MeV能量的電子輻照后，注量為1×1012e/cm2時的電荷轉移效率已下降至0.999 850。

我國對CCD位移效應研究開展得較晚，目前只是零星開展了質子輻照CCD的理論計算和輻照實驗研究[7]，在CCD位移效應引起參數退化機理方面的研究還有待進一步深入。本文通過CCD中子輻照實驗，研究了器件受位移損傷后關鍵性能參數的退化情況，結合器件結構和工藝參數深入分析了其輻照損傷機理。

2 樣品和方法

實驗樣品采用國產埋溝結構、像素陣列為64×64像元的CCD。圖1為CCD像素單元示意圖，像素單元的尺寸為48 μm×48 μm，采用復合柵結構，在20 nm厚的二氧化硅層上淀積一層60 nm厚的氮化硅作為絕緣層。

圖1 CCD像素單元示意圖

中子輻照實驗在西北核技術研究所的TRIGA型脈沖堆上進行。實驗采用的中子能量大于0.1 MeV，中子譜的平均能量為1.05 MeV，中子損傷等效系數為1.02 MeV。中子γ比大于5×109n/rad。為了保證實驗結果的可信度，實驗樣品從同一批次樣品中挑選了3片參數一致性較好的CCD，實驗過程中樣品所有管腳全部短接接地，采用不加電偏置進行輻照。當中子輻照注量達到預定值時，將器件帶回新疆理化所進行測試。因中子輻照器件存在活化問題，所有測試均在輻照后一個月進行，期間實驗樣品不加電室溫放置。測試選取的注量點分別為1×1010，2×1010，5×1010，10×1010，15×1010n/cm2。

3 實驗結果

3.1 暗信號、暗信號非均勻性隨中子注量的變化

暗信號是CCD像素在未受光照條件下存在于MOS電容中的本底信號，其產生主要是由于器件本身的熱生成載流子引起。暗信號的存在對CCD的諸多性能參數有較大影響，其中最具典型性的是動態范圍/信噪比。暗信號的存在實際上等于降低了像素的滿阱容量，影響像素的最大可探測信號，嚴重影響器件的成像質量，并且會增加器件功耗電流。圖2給出了器件受中子輻照后暗信號的退化情況，可以看出，隨著輻照注量的增加，暗信號幾乎呈線性增大。

圖2 暗信號隨中子注量的變化關系

暗信號非均勻性又被稱為固定圖像噪聲，指在無光照條件下，在單位積分時間內，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。圖3給出了暗信號非均勻性隨中子注量的變化關系，從圖中可以看出，中子輻照注量越大，暗信號非均勻性的退化就越大。位移損傷造成的晶格缺陷可直接導致暗信號及像元的非均勻性，暗信號非均勻性會一步步傳輸到后一級去，降低信噪比，導致成像質量嚴重退化。因此，在器件具體應用時，暗信號非均勻性的退化對器件性能影響較大。

圖3 暗信號非均勻性隨中子注量的變化關系

Fig.3 Variation of dark signal non-uniformity with neutron fluence

3.2 電荷轉移效率隨中子輻照注量的變化

電荷轉移效率是指CCD信號電荷包從一個電極轉移到下一個電極，轉移后電極下的電荷量與轉移前電極下電荷量的比值，通常用ηt表示。電荷轉移效率的變化可以反映出CCD受中子輻照后器件內部載流子產生、收集、輸運的退化情況。

圖4給出了電荷轉移效率隨中子注量的變化關系，從圖中可以看出，隨著中子注量的增大，器件電荷轉移效率逐漸減小。當輻照注量大于2×1010n/cm2時，電荷轉移效率迅速減小，由初始值的0.999 96退化到0.999 87。對于實際應用的CCD，像素的信號電荷需經過幾千次電荷轉移才能到達器件輸出端口，電荷轉移效率的退化將會導致器件信號電荷嚴重衰減，致使動態范圍減小，并且引起像素間的差異變大。

圖4 電荷轉移效率隨中子注量的變化關系

Fig.4 Variation of charge transfer efficiency with neutron fluence

3.3 飽和輸出電壓隨中子注量的變化

飽和輸出電壓是指CCD在正常工作條件下輸出信號的最大值，它表征了CCD所能響應信號的最大值。它主要由器件耗盡層深度和CCD片上放大器增益決定，耗盡層深度和放大器增益均與外加柵壓有關，因此，飽和輸出電壓的變化可以反映柵極閾值電壓的漂移信息。圖5給出了器件飽和輸出電壓隨中子注量的變化關系，從圖中可以看出，飽和輸出電壓的抗中子能力較好，當累積輻照注量達到15×1010n/cm2時，其退化程度仍可以忽略。

圖5 飽和輸出電壓隨中子注量的變化關系

Fig.5 Variation of saturated output signal of CCD with neutron irradiation

4 分析與討論

4.1 暗信號、暗信號非均勻性退化機理分析

本次實驗采用的中子平均能量為1 MeV。中子入射器件后主要發生彈性散射作用，初級入射中子在一次彈性碰撞中將傳遞給晶格原子一部分能量，如果這部分能量大于位移所需能量，則造成原子離開晶格位置，成為晶格中的間隙原子。如果初級反沖原子具有兩倍以上的位移閾能，那么在它停下來之前能使第二個原子位移，形成雙空位缺陷。當初級反沖原子的能量更高時，產生級聯缺陷，這些缺陷部分被復合，部分在體內遷移，與其他雜質、缺陷、摻雜原子形成穩定的缺陷團。一次彈性散射碰撞后的中子平均能量由式(1)給出：

(1)

(2)

式中E0為中子初能，A為原子量。由此可知1 MeV中子傳遞給硅晶格原子的平均能量約為70 keV。而初級粒子產生率與其能量成平方反比關系[8]，即能量為E的初級粒子的產生率為1/E2，由此得出1 MeV 中子入射CCD后在體硅內產生位移缺陷初級粒子的能量分布如圖6所示。

從圖中可以看出，位移缺陷初始反沖能絕大部分都小于100 eV。對硅原子而言，初始反沖能約為2 keV只產生點缺陷；反沖能在2～12 keV之間可形成一缺陷團；反沖能大于20 keV后會形成一樹狀缺陷結構，在各樹狀缺陷(包括點缺陷)末梢是終端缺陷團。因此可以認為，1 MeV中子入射CCD在體硅內主要產生點缺陷，只有極少數的缺陷團和缺陷簇。

圖6 1 MeV中子入射CCD后初級粒子產生率與其能量分布

Fig.6 Relationship between primary particles production rate and energy after 1 MeV neutron irradiation

圖2顯示，隨著中子注量的增加，暗信號線性增大。由Shockley-Read-Hall理論可知，CCD的體暗電流密度[9]可表示為

(3)

(4)

式中：Jgeneration為體暗電流密度(單位為nA/cm2)，W為耗盡區寬度，q為電子電荷量，ni為本征載流子濃度，τg為載流子的有效產生壽命，σn為電子俘獲截面，σp為空穴俘獲截面，vth為載流子速率，Nt為體缺陷能級。中子入射CCD器件后在像素單元耗盡區中產生位于禁帶中的缺陷能級，這些缺陷能級形成了新的復合-產生中心，使價帶的電子更容易躍遷至導帶，促進了電子-空穴對的產生，增大了由于熱運動激發的載流子密度。中子注量越大則產生的缺陷能級越多，載流子通過能級躍遷的幾率就越大，從而使載流子的壽命τg減小，CCD的暗信號增大。

暗信號非均勻性主要是指由中子輻照后引起的各像素單元暗信號增大的不一致性，這種增大的不一致性主要是由入射中子與CCD體硅發生相對稀少的非彈性碰撞導致大量的位移能量沉積在一個像元里引起，從而使中子輻照在器件內由于位移損傷效應產生的缺陷團分布不均勻。另一方面，由于暗信號生成機制較為復雜，其中多個機制與缺陷能級、電場等特性相關，對于CCD這種含有大量像素單元的器件受中子輻照后無法保證在像素與像素之間產生均勻性的缺陷能級，因此暗信號在像素陣列空間分布上呈現非均勻性，即暗信號非均勻性變大。

4.2 電荷轉移效率退化機理分析

本次實驗樣品的制備采用的是埋溝工藝，因此界面質量的退化對電荷轉移效率的影響可以忽略不計。由上文分析可知，中子輻照在耗盡區內產生大量的點缺陷，產生的缺陷中心主要為P-V中心、V-V中心、V-O中心。P-V中心為 N+層內的摻雜原子磷與空位結合后形成穩定缺陷，V-V中心為體硅中兩個空位相互結合，V-O中心為SiO2-Si界面附近的氧原子與空位相結合。表1給出了硅材料中點缺陷的能級、捕獲截面和發射時間[10]。

表1 硅材料中缺陷的能級、捕獲截面和發射時間

Tab.1 Energy level, capture cross-section and release time constant of defects in silicon

DefecttypesEnergylevel/eVCapturecross-section/cm2Releasetime/msP-V0.466×10-156×105V-V0.415×10-162×105O-V0.171×10-144×10-4

CCD信號電荷在轉移輸出的過程中，這些體缺陷能級不斷地捕獲、發射在埋溝中轉移的信號電荷，從而使電荷轉移效率退化。盡管俘獲的載流子后來又發射，但這部分載流子不一定被釋放回原來的電荷包中。這些體缺陷不但會引起陷阱能級，還有可能因為引起局部電勢的偏差導致勢阱或者勢壘，這將導致轉移時間變長、信號電荷轉移發生殘留。因此隨著中子輻照注量的增大，引入的體缺陷增多，電荷轉移效率將顯著退化。圖7為中子輻照引入的體缺陷影響電荷轉移示意圖。

圖7 中子輻照引入的體缺陷能級影響電荷轉移示意圖

Fig.7 Diagram of neutron radiation introduced defect level affects charge transfer

4.3 飽和輸出電壓退化機理分析

圖5結果顯示器件飽和輸出電壓具有一定的抗中子能力，整個實驗過程中其退化程度可以忽略不計。飽和輸出電壓主要由像素單元耗盡層深度和CCD片上讀出電路增益決定。CCD片上讀出電路由不同的MOSFET組成，包括厚柵氧的輸出柵極、薄柵氧的復位晶體管及大寬長比的放大電路，結構示意圖如圖8所示。它是一個三級源跟隨器，由MOS管M1、M2、M3和作為偏置作用的有源負載Mc、Md組成，復位MOS管Mr的源極與節點電容、M1的柵極三者相連。MOSFET是以多數載流子工作的器件，對中子輻照不靈敏，有較強的抗中子能力[11]。即使中子輻照注量高達1014～1015n/cm2，MOSFET的主要電參數變化仍然很小。由于CCD片上放大器和像素單元均是MOS結構，且本次實驗中子最大注量僅為15×1010n/cm2，因此實驗過程中CCD飽和輸出電壓的退化基本可以忽略不計。

圖8 CCD讀出電路結構示意圖

5 結 論

通過對64元CCD開展中子輻照實驗，分析了中子入射體硅后的輻照損傷機理，結合器件結構和工藝參數，獲得了CCD的位移效應：暗信號、暗信號非均勻性、電荷轉移效率是位移效應的敏感參數。參數退化的主要原因是中子輻照誘發大量的體缺陷，這些缺陷能級增大了暗場條件下耗盡區熱載流子的發射幾率。在信號電荷讀出期間，體缺陷不斷發射和俘獲引起電荷轉移效率顯著退化。為深入開展CCD的抗輻照設計及準確評估器件的抗位移輻照損傷性能提供科學依據，下一步將通過設計像素單元結構進行輻照實驗，結合器件輻照效應仿真技術，從微觀層面對輻照產生的有效缺陷進行描述，定量分析CCD宏觀參數退化與微觀缺陷的聯系。

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汪波(1988-)，男，江蘇連云港人，博士研究生，2011年于中國礦業大學獲得學士學位，主要從事CCD、CMOS圖像傳感器的空間輻射效應研究。

E-mail: chenxing198889@163.com

李豫東(1982-)，男，新疆伊犁人，博士，研究員，2009年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事光電成像器件空間輻射效應方面的研究。

E-mail: lydong@ms.xjb.ac.cn

Neutron Irradiation Induced Displacement Damage Effects on Charge Coupled Device

WANG Bo1,2, LI Yu-dong1*, GUO Qi1, WANG Chao-ming3, WEN Lin1

(1.KeyLaboratoryofFunctionalMaterialsandDevicesunderSpecialEnvironmentsofChineseAcademyofSciences，XinjiangKeyLaboratoryofElectricInformationMaterialsandDevices，XinjiangTechnicalInstituteofPhysicsandChemistry,ChineseAcademyofSciences,Urumqi830011,China；2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China；3.ChongqingOptoelectronicsResearchInstitute,Chongqing400060,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:lydong@ms.xjb.ac.cn

Displacement damage effects due to neutron irradiations of charge coupled devices were presented through the analysis of the dark signals behavior in pixel arrays. When the fluence of neutron reached the predetermined point, the change of dark signal, dark signal non-uniformity, charge transfer efficiency and saturated output signal was measured off line. The major effect of neutron induced displacement damage on charge coupled device is the increase in dark signals as a result of carrier generation in the bulk depletion region of the pixel. Although the increase in the mean dark signals with neutron irradiation is important, the dark signals non-uniformity is generally the biggest concern for charge coupled device applications in space. Very large dark signals pixels can be produced when a collision occurs in a high electric field region of a pixel as a result of electric field enhanced emission. Another important performance parameter for a charge coupled device is the charge transfer efficiency, which is the fraction of signal charge transferred from pixel to pixel during read out. If a signal charge is trapped by neutron induced defect, and remains trapped for more than one clock cycle, it will be lost from the signal charge packet. Saturation output signal voltage does not have any obvious degradation even at the highest DDD level. The research will help the designers to know the radiation damage in charge coupled device and improve the tolerance by radiation hardening design.

charge coupled devices; neutron irradiation; displacement damage effect; charge transfer efficiency; dark signal

1000-7032(2016)01-0044-06

2015-09-25；

2015-11-18

國家自然科學基金(11005152)資助項目

TN386.5

A

10.3788/fgxb20163701.0044