CMOSAPS光電器件單粒子效應脈沖激光模擬實驗研究

安 恒，楊生勝，苗育君，薛玉雄，曹 洲，張晨光

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

CMOSAPS光電器件單粒子效應脈沖激光模擬實驗研究

安 恒，楊生勝，苗育君，薛玉雄，曹 洲，張晨光

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

CMOSAPS光電器件因低功耗、小體積的特點已成為遙感衛星成像的重要發展方向。隨著半導體技術的不斷進步，其單粒子效應已經成為一個影響可靠性的重要因素。針對CMOSAPS光電器件，利用實驗室脈沖激光模擬單粒子效應設備模擬了重離子在APS光電器件中引起的輻射損傷，分析了CMOSAPS光電器件內部不同功能單元對單粒子效應的敏感性，獲得了單粒子效應敏感參數。結果表明，CMOSAPS光電器件在空間輻射環境中會誘發單粒子翻轉和單粒子鎖定。研究結果為進一步分析CMOSAPS光電器件的抗輻射加固設計提供了理論支持。

CMOSAPS；單粒子效應；脈沖激光

0 引言

CMOSAPS光電器件因高速光電轉換性、低功耗、體積小、質量輕以及良好的抗空間輻射特性，在遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等衛星圖像采集方面正逐步取代原有的CCD（Charge Coupled De?vice）光電器件，特別是在微納型衛星等航天器成像系統應用中，CMOSAPS光電器件表現出獨特優勢。國外已將CMOSAPS光電器件應用于火箭、衛星、空間站以及航天飛機等重要飛行器的可視化遙測中，在衛星發射、空間交會、繞飛觀測以及安全監視等方面發揮著重要作用，如歐空局（ESA）已采用CMOSAPS光電器件作為星敏感器和視頻監視相機；美國軌道快車（Orbital Express）計劃中，將CMOSAPS光電器件用于近距離交會對接測量的先進視頻導航傳感器中[1-2]。近年來，在高分衛星、對地觀測衛星以及空間實驗中也在逐步應用CMOS APS光電器件[3]。隨著光電器件在軌運行時間的延長，空間帶電粒子對其造成的輻射危害越來越嚴重，尤其是高能重離子輻照引起單粒子效應的頻次越來越高，需要進一步分析CMOSAPS光電器件在空間帶電粒子環境下的單粒子效應危害程度。基于空間重離子引起單粒子效應的原理分析，結合APS光電器件的內部結構特點和空間應用特性，利用脈沖激光模擬了單粒子效應現象，獲得了APS光電器件內部不同敏感區域的單粒子效應及敏感參數。

1 試驗過程

試驗樣品為國產CMOSAPS光電器件，開封后形貌如圖1所示。器件像素間距為25μm，器件包含固定圖像噪聲抑制、相關雙采樣等電路模塊，器件具有增益可變和積分時間可調等功能。

圖1 CMOSAPS光電器件Fig.1 CMOSAPSphotoelectric device

光電器件的像素采用3T有源結構，如圖2所示。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[4-6]。

圖2 光電器件的3T像素結構Fig.2 3T structure for pixelsof photodevice

圖3 3T像素結構的工作原理Fig.3 operationalprinciplesof3T structure forpixels

試驗依據CMOSAPS光電器件的結構特點，首先對脈沖激光模擬試驗系統的激光束（波長1 064 nm）進行精確的聚焦定位，通過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光電器件內部的主要功能模塊（移位寄存器、Buffer區等）進行輻照。通過示波器對CMOSAPS光電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，同時通過監測CMOS光電器件電源電流的變化情況，判斷器件是否發生單粒子鎖定現象。另外，針對產生單粒子效應的脈沖激光能量，采用能量漸近的方法（以特定步長逐步升高或降低脈沖激光的能量），確定了CMOSAPS光電器件發生單粒子翻轉或單粒子鎖定的能量閾值[7-9]。

2 試驗結果分析

皮秒脈沖激光輻照CMOSAPS光電器件的移位寄存器，脈沖激光能量范圍為5.72～63.5 nJ，試驗中觀測到了單粒子翻轉和單粒子鎖定現象，試驗結果如表1所列。

表1 皮秒激光輻照移位寄存器的試驗數據Table1 resultsof shifting register irradiated by picosecond laser

試驗結果表明，激光入射到移位寄存器不同位置時，發生單粒子效應的敏感性也不同。同時也發現，光電器件移位寄存器的單粒子翻轉和單粒子鎖定幾乎是同時發生的。

脈沖激光輻照CMOSAPS光電器件輸入端Buf?fer區時，同樣也發現單粒子翻轉和單粒子鎖定是同時發生的，結果如表2所示。

表2 脈沖激光輻照光電器件的輸入端Buffer區Table2 resultsof buffer of photodevice irradiated by picosecond laser

結合CMOS光電器件結構特點，通過對比上述試驗數據的分析，發現CMOS光電器件的單粒子效應與其他集成電路（如SRAM、CPU等）的單粒子效應具有明顯的區別。表3給出了CMOS光電器件單粒子效應敏感性總結分析。

表3 CMOS光電器件單粒子效應敏感性對比Table3 sensitivenessof CMOSphotodevice

從表3中可以看出，對于移位寄存器而言，不同位置的單粒子效應敏感性差別很大，在位置1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5.72 nJ，而在位置2，當脈沖激光能量達到14.2 nJ，這種差別與移位寄存器的行列構成差別有關。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光電器件的其他區域，也發現了單粒子翻轉和單粒子鎖定現象。

3 結論

通過脈沖激光模擬試驗，分析了CMOSAPS光電器件內部的輻射損傷特性。試驗結果表明，CMOSAPS光電器件在空間輻射環境中主要會誘發兩種單粒子效應現象，即單粒子翻轉（SEU）和單粒子鎖定（SEL）。脈沖激光輻照光電器件的移位寄存器發現單粒子翻轉和單粒子鎖定幾乎是同時發生的，同時在光電器件輸入端Buffer區域也會出現類似的現象。另外，當激光輻照在CMOSAPS光電器件內部同一部件的不同位置，其發生單粒子翻轉和單粒子鎖定的能量閾值也不同，如在列寄存器區域最易發生單粒子效應，這是由于前端存在著列電荷放大器的緣故所致。

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AN INVESTIGATION ON SINGLE EVENT EFFECTSOFCMOSAPS IMAGE SENSORW ITH PULSE LASER

AN Heng，YANG Sheng-sheng，M iao Yu-jun，XUEYu-xiong，CAO Zhou，ZHANG Chen-guang
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

With less energy consumption，small volume and less weight，CMOS APS is already a major development direction of imaging for remote sensing satellites. During the satellites flying on orbit，electron devices are exposed in space radiation，and degraded by space charged particles. Along with the improvement of semiconductor technology，sensibility of single event effect is more obvious，and is a key factor of reliability. Based on equipment on simulation of single event effect with pulse laser，radiation damage of CMOS APS irradiated by heavy ions is discussed. And sensibility of CMOS APS’ s different functional unit for single event effect is also analysed，obtaining sensitive parameter of single event effect. The result could be used for the design of radiation hardening for CMOS APS image sensor.

CMOS APS；single event effect；pulse laser

V416.5；TN248

A

1006-7086（2017）04-0223-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.007

2017-02-28

國家自然科學基金項目（No.11375078）

安恒（1982-），男，甘肅定西人，碩士，工程師，從事空間輻射效應及新型有效載荷技術工作。E-mail：ahllbl@126.com。