張 航，劉棟斌

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033)

1 引 言

電荷耦合器件(CCD)在1970年由美國貝爾實驗室首先研制成功。作為MOS技術延伸而發(fā)展出的一種半導體光電器件［1］，它能夠存儲由入射光在光敏單元激發(fā)出的光信息電荷，并能在適當?shù)臅r鐘脈沖驅動下，把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸，從而完成從光信號到電信號的轉移［2］，最終以收集到的電荷作為信號。因其質量輕、體積小、功耗低、動態(tài)范圍大、量子效率高、壽命長等優(yōu)點，被大量應用在航天載荷對地觀察、遙感觀測、空間科學等領域。由于這些環(huán)境存在大量的輻射粒子［3］，所以抗輻射工作越來越受到關注和重視。從20世紀70年代起，外國研究機構開始對CCD輻射效應進行研究［4-5］。CCD受到輻射后主要產生兩種效應:位移輻射效應和電離輻射效應［6-7］，其中電離輻射效應又包括總劑量效應、瞬態(tài)電離效應和單粒子效應。

Kodak公司的商業(yè)級三線陣探測器KLI-2113具有動態(tài)范圍大、敏感度高、數(shù)據速度較快以及噪聲低等特點，非常適合應用在空間探測領域，所以對它的抗輻照能力的研究尤為重要。本文介紹了基于探測器KLI-2113所設計的總劑量輻照裝置、試驗方法以及CCD受輻照后的參數(shù)變化，并分析了CCD受輻照后發(fā)生變化的內在機理。

2 輻射試驗過程

2.1 輻射試驗條件

我們選擇放射性強度為5.2×1015Bq(14萬居里)的60Co-γ射線源作為輻射源，輻射劑量率為10 rad(Si)/s，輻射總劑量為30 krad(Si)，分別在5，10，20，30 krad(Si)時對 CCD 進行參數(shù)測試，并與初始值進行對比。測試內容包括暗信號、暗噪聲、固定圖像噪聲、飽和輸出電壓、響應度、電荷轉移效率、響應非均勻性等7項參數(shù)。

三線陣探測器KLI-2113由3條平行的、完全相同的可見光譜段光電二極管陣列組成，每行有2 098個有效像元、12個測試像元以及12個暗像元。探測器單路的結構如圖1所示。

圖1 KLI-2113單路結構Fig.1 Single Channel Schematic of KLI-2113

表1 探測器KLI-2113的主要參數(shù)Table1 Main parameters of CCD KLI-2113

從25片探測器KLI-2113中隨機抽取兩片作為試驗樣品，并編號為1#和2#樣品。大量的試驗表明，CCD探測器在工作狀態(tài)下比不加電狀態(tài)下更容易受到輻射的影響。為了更好地模擬空間中的輻射條件，我們設計了輻射試驗頭部板和處理板，在輻射過程中為探測器提供偏置電壓以及工作驅動時序(探測器偏置原理圖如圖2所示)，使得兩片試驗探測器保持典型工作狀態(tài)。其中頭部板連同試驗探測器暴露在60Co-γ射線環(huán)境中，處理板由10 cm厚的鉛磚屏蔽。

圖2 KLI-2113線陣CCD輻照偏置原理圖Fig.2 Application diagram of KLI-2113 for radiation test

2.2 試驗方法與過程

我們依據GJB548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》中1019.2電離輻射(總劑量)試驗程序進行試驗。首先在屏蔽良好的輻射場對1#、2#探測器進行輻射，將輻照試驗用的處理板放置在鉛磚防護空間內，將通過電纜連接的樣片及頭部板放置在劑量率為10 rad(Si)/s的合適位置，進行5 krad(Si)的輻照試驗。輻射后，分別對1#、2#探測器在無輻射的實驗室中按要求進行7項參數(shù)測試，要求測試時間不超過40 min。重復該過程，直至分別完成10，20，30 krad(Si)的輻照試驗及測試［8］。實驗流程圖以及輻射后的參數(shù)測試圖分別如圖3和圖4所示。

圖3 輻射過程框圖Fig.3 Block diagram of radiation process

圖4 輻射后進行參數(shù)測試框圖Fig.4 Block diagram of parameter testing after radiation

3 結果與討論

3.1 試驗數(shù)據

試驗中測得的1#、2#探測器的7項參數(shù)如表2和表3所示。

表2 1#樣品試驗數(shù)據Table 2 Experimental data of No.1 sample

表3 2#樣品試驗數(shù)據Table 3 Experimental data of No.2 sample

續(xù)表3

圖5 樣品暗信號隨總輻射劑量的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.5 Changes of dark signal with the total dose radiation of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

3.2 參數(shù)分析

由1#和2#探測器樣品的試驗數(shù)據可以看出，兩個樣品的變化趨勢基本一致。據此認為測量數(shù)據真實有效，可以表征探測器KLI-2113受總劑量輻照后的參數(shù)變化。

3.2.1 暗電流

暗電流是指CCD在沒有感光也沒有其他形式注入信號的情況下輸出的電流。從圖中可以看出，隨著輻射總劑量的提高，探測器KLI-2113的暗信號逐漸提高，這是因為總劑量損傷破壞了Si和SiO2之間的周期晶格結構，在CCD內部的電極和柵氧化層之間形成陷阱電荷，進而導致高密度界面態(tài)(處在價帶和導帶之間的禁帶中的中間能級)的產生。這些界面態(tài)在CCD表面很容易產生熱電子-空穴對，由于這些熱電子-空穴對的出現(xiàn)，暗電流將增大［9-10］。試驗中用暗信號的變化來表征暗電流的變化。在無光照條件下，探測器的輸出信號隨積分時間線性增加，通過改變積分時間，測量對應的輸出信號，然后以積分時間為橫坐標，輸出信號為縱坐標，按最小二乘法［11］，擬合出一條直線，該直線的斜率定義為探測器在單位時間的暗信號。暗信號隨總劑量的變化如圖5所示。

圖6 暗場情況下，加電10 min后的CCD輸出。Fig.6 Output of CCD in dark after 10 min

當總劑量達到30 krad(Si)時，在無輻射場的實驗室中測量發(fā)現(xiàn)暗信號突然增大，并且隨著加電時間的增加，CCD輸出的勢阱從12個測試像元開始，逐一向后變大，直至所有像元變成飽和，如圖6所示。這是由于位移輻射在CCD的Si禁帶內誘發(fā)體缺陷產生，進而形成新的產生復合中心，導致暗電流尖峰出現(xiàn)［12］。

3.2.2 電荷轉移效率(CTE)

從表1和表2中可以看出，CCD的電荷轉移效率隨著輻射劑量的增加而降低。CTE是CCD的重要指標參數(shù)。在理想狀態(tài)下，近似認為一個勢阱中的電荷包可以完全、快速的轉移到下一個勢阱中;但是在實際工作中，電荷包在勢阱之間的轉移都是有損失的。KLI-2113未經輻射時，CTE可以達到0.999 98～0.999 99;CCD 受輻射后，在電荷轉移過程中，溝道中由輻射損傷誘發(fā)的缺陷將俘獲一部分電荷包里的載流子，有時候被俘獲的載流子將被釋放到下一個電荷包中，而不是原來的電荷包，因此輻射會造成電荷轉移損失［10］。由于電荷轉移損失，導致CCD的響應度(圖7)和飽和輸出電壓(圖8)也要相應地隨輻射總劑量的增大而減小。

圖7 樣品相對響應度的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.7 Change of relative response of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

圖8 樣品CCD飽和輸出的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.8 Change of saturation output of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

3.2.3 暗噪聲和固定圖像噪聲

圖9 樣品暗噪聲的變化。(a)1#;(b)2#。Fig.8 Change of dark noise of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

由于MOS器件本身的特點，界面態(tài)陷阱電荷和氧化物陷阱電荷的增加，都會導致平帶電壓(VFB)發(fā)生變化。對于CCD，當它在一定的偏置電壓處工作時，如果平帶電壓發(fā)生漂移，受影響最大的就是輸出放大電路［13］。平帶電壓漂移可以引起閾值電壓(Vth)發(fā)生漂移，它們都隨著輻射總劑量增加而增大。當閾值電壓漂移很大時，說明已經有大量的界面態(tài)出現(xiàn)。平帶電壓和閾值電壓發(fā)生偏移將導致CCD轉移寄存器的最佳工作偏置電壓偏移［14］，CCD輸出放大器非線性工作，讀出噪聲增加。暗噪聲隨總劑量增加的變化如圖9所示。

4 結 論

為了測試Kodak公司的線陣CCD探測器KLI-2113的抗輻射能力，設計了60Co-γ總劑量輻射裝置，對CCD樣片進行總劑量為30 krad(Si)的輻照試驗。隨著輻射劑量的增加，CCD的暗電流增加，電荷轉移效率降低，進而導致CCD的響應度和飽和輸出電壓降低;此外，平帶電壓和閾值電壓的漂移使暗噪聲和圖像噪聲變大。KLI-2113在總劑量20 krad(Si)以下時，主要參數(shù)指標受輻射影響下降;當總劑量達到30 krad(Si)時，CCD完全失效。在探測器已經確定的情況下，建議采用附加屏蔽的辦法進行加固，即采用抗輻射材料加固器件以及在外殼和架構上的鋁板外涂覆抗輻射材料以加強對輻射的屏蔽［15］。

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