武大猷,文　林,汪朝敏,何承發(fā),郭　旗*,李豫東,曾俊哲,汪　波,劉　元

（1.中國科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060）

電荷耦合器件的γ輻照劑量率效應(yīng)研究

武大猷1,2,文林1,汪朝敏3,何承發(fā)1,郭旗1*,李豫東1,曾俊哲1,2,汪波1,2,劉元1,2

（1.中國科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049； 3.重慶光電技術(shù)研究所，重慶 400060）

對電荷耦合器件進(jìn)行了不同劑量率的γ輻照實(shí)驗(yàn)，通過多種參數(shù)的測試探討了劑量率與電荷耦合器件性能退化的關(guān)系，并對損傷的物理機(jī)理進(jìn)行分析。輻照和退火結(jié)果表明：暗信號和暗信號非均勻性是γ輻照的敏感參數(shù)，電荷轉(zhuǎn)移效率和飽和輸出電壓隨劑量累積有緩慢下降的趨勢；暗場像素灰度值整體抬升，像元之間的差異顯著增加；電荷耦合器件的暗信號增量與劑量率呈負(fù)相關(guān)性，器件存在潛在的低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)。分析認(rèn)為，劑量率效應(yīng)是由界面態(tài)和氧化物陷阱電荷競爭導(dǎo)致的。通過電子-空穴對復(fù)合模型、質(zhì)子輸運(yùn)模型和界面態(tài)形成對機(jī)理進(jìn)行了解釋。

電荷耦合器件；暗信號；低劑量率損傷增強(qiáng)效應(yīng)；暗場像素統(tǒng)計(jì)

1 引 言

電荷耦合器件（Charge coupled device，CCD）是一種具有MOS（Metal oxide silicon，MOS）結(jié)構(gòu)的固態(tài)光學(xué)成像器件［1］，通過柵壓在氧化層下形成轉(zhuǎn)移勢壘，把耗盡層生成的光生電荷轉(zhuǎn)移到輸出放大器而輸出電學(xué)信號。由于具有體積小、功耗低、動態(tài)范圍大和量子效率高等優(yōu)點(diǎn)，CCD被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的光學(xué)成像系統(tǒng)中［2-3］。但是空間輻射環(huán)境中高能射線和帶電粒子輻射CCD誘發(fā)的電離效應(yīng)和位移效應(yīng)，會使器件參數(shù)嚴(yán)重退化甚至引起功能失效［4-7］，這嚴(yán)重降低了器件的成像質(zhì)量和使用壽命。

空間輻照總劑量的累積需要很長時間，在近地軌道中空間輻射累計(jì)總劑量大約是10-3～10-2rad（Si）/年；在中高地球軌道中，空間輻射累計(jì)總劑量在1～10 krad（Si）/年，平均輻射劑量率低于10-3rad（Si）/s。為了研究真實(shí)太空環(huán)境中器件的抗輻射性能及低劑量率輻照下器件的損傷效應(yīng)，國內(nèi)外工作者進(jìn)行了深入的研究。1991年，Enlow［8］首次報(bào)道了在線性雙極器件中存在低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)（Enhanced low-dosed rate sensitivity，ELDRS）。在進(jìn)一步的研究中，Johnston［9］發(fā)現(xiàn)PNP晶體管比NPN管在低劑量率下退化得更嚴(yán)重，在低劑量率下參數(shù)退化可以是高劑量率下的5倍，同時指出在一些具有高缺陷密度的氧化層中可以觀測到明顯的ELDRS。在后續(xù)工作中，研究者對ELDRS損傷機(jī)理構(gòu)建了一些物理模型，其中包括：電子、空穴和質(zhì)子在SiO2中轉(zhuǎn)移模型，電子空穴的復(fù)合效應(yīng)，SiO2中電子陷阱在有效電場下的俘獲模型，聚合氫原子與界面態(tài)的競爭模型等［10］。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，能夠增強(qiáng)ELDRS的因素主要有以下幾種：（1）SiO2中氧空位的濃度和分布；（2）氧化層中氫的濃度、分布和反應(yīng)；（3）輻照和退火中的溫度和偏壓；（4）器件的鈍化層工藝；（5）輻照前器件施加熱應(yīng)力或者老化［11-14］。2006年，Witczak［15］首次在文章中報(bào)道MOS器件存在劑量率效應(yīng)。近年來，隨著工藝和隔離技術(shù)不斷的改進(jìn)，人們針對MOS器件的損傷效應(yīng)展開了深入研究，并用第一性原理計(jì)算了物理機(jī)理［16］。由于CCD的像素也具有MOS結(jié)構(gòu)，其輻射效應(yīng)一直是研究的熱點(diǎn)。從上世紀(jì)70年代開始，針對其輻射效應(yīng)的研究已經(jīng)展開，但直到近年才有文章報(bào)道了低劑量率輻照下CCD存在損傷增強(qiáng)［17］，但對產(chǎn)生的機(jī)理仍沒有明確的解釋。根據(jù)美軍標(biāo)，實(shí)驗(yàn)室典型的輻照劑量率為50～300 rad（Si）/s，如果CCD存在低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)，則現(xiàn)存的實(shí)驗(yàn)評估方法會高估器件在太空中實(shí)際的抗總劑量能力，且隨著CCD像元數(shù)的不斷增加，其損傷機(jī)理會更加復(fù)雜。因此，為了保證實(shí)驗(yàn)評估方法的準(zhǔn)確性和可靠性，有必要開展劑量率與CCD參數(shù)退化關(guān)系的研究，對產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行深入的分析。

2 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

CCD樣品為國產(chǎn)科學(xué)級埋溝CCD，圖像采集區(qū)像素陣列為64×64光敏單元，存儲區(qū)陣列為64×64存儲單元，像元尺寸為48 μm×48 μm，器件柵介質(zhì)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。器件像素單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。

輻照和測試分別在新疆理化所鈷源和光電成像器件抗輻射性能檢測設(shè)備上完成，實(shí)驗(yàn)中γ劑量率選擇0.1，5，50 rad（Si）/s。實(shí)驗(yàn)過程中的主要測試參數(shù)包括器件暗信號、暗信號非均勻性、飽和輸出電壓和電荷轉(zhuǎn)移效率（CTE）。在每次測試中，保存CCD在暗場下最小積分時間內(nèi)的raw圖（像元獲得的原始圖像），并對raw圖中的像素灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。以上參數(shù)都是通過移位測試得到，且每次測試在0.5 h內(nèi)完成。

圖1　CCD像素單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Pixel structure of CCD

3 結(jié)果與討論

3.1電荷轉(zhuǎn)移效率退化

本受試樣品CCD采用重?fù)诫sN+埋溝工藝，可有效避免界面態(tài)對轉(zhuǎn)移電荷的散射作用，因此電荷轉(zhuǎn)移效率主要受埋溝中的缺陷影響。埋溝中能級接近導(dǎo)帶中央的缺陷對多子具有陷阱作用，在CCD積分時間內(nèi)，如果陷阱俘獲光生電荷，且在隨后的轉(zhuǎn)移時鐘周期內(nèi)不能及時發(fā)射回導(dǎo)帶，將使輸出的電荷數(shù)量減少從而使電荷轉(zhuǎn)移效率退化［18］。CCD在γ劑量率50 rad（Si）/s輻照及輻照結(jié)束后的退火實(shí)驗(yàn)如圖2所示。在輻照過程中，電荷轉(zhuǎn)移效率有所降低；在常溫加電退火實(shí)驗(yàn)中，CTE有適量恢復(fù)，但CTE在γ輻照和退火過程中變化微弱，不是γ輻照下的敏感參數(shù)。

圖2　CTE隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.2 Variation of CTE of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

3.2飽和輸出電壓退化

飽和輸出電壓是CCD在工作狀態(tài)下，其輸出端得到的最大電壓，它主要由耗盡層深度和輸出放大器增益決定［19］。輻照引起飽和輸出電壓的變化如圖3所示。在輻照過程中，飽和輸出電壓隨輻照劑量的累計(jì)呈線性下降。在劑量率為50 rad（Si）/s的γ輻照下，在輻照劑量達(dá)到100 krad（Si）后下降約10%。輻照結(jié)束后，在室溫加電退火的100 h內(nèi)，飽和輸出電壓有適量的恢復(fù)，但超過這段時間后，飽和輸出電壓基本不再產(chǎn)生顯著變化。

圖3　飽和輸出電壓隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.3 Variation of saturated output signal of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

耗盡層的深度主要由N+埋溝層和P外延層的濃度決定。文獻(xiàn)［20］指出：電離輻射損傷產(chǎn)生了大量的界面態(tài)，引起MOS電容閾值電壓正向漂移，像素單元耗盡層深度減小，使可儲存光生電荷量減小，從而使輸出到放大器的電荷量減少；而輸出放大器的增益退化也會降低飽和輸出電壓。CCD樣品輸出端主要有三級放大器，其組成如圖4所示。

在工作周期內(nèi)，IN為輸入光電信號，它使MOS管T工作在導(dǎo)通狀態(tài)。飽和輸出電壓OUT的值為T管的飽和輸出電流IDSAT和電阻R的乘積。MOS管的飽和電流為

其中u為電子遷移率，Cox為MOS等效電容，VDSAT為飽和電壓。

電離輻照會導(dǎo)致MOS單管的飽和輸出電流降低，使輸出電阻R的分壓降低，同時也削弱了輸出放大器的增益能力［20-21］。綜上所述，電離輻照會導(dǎo)致像素耗盡中容納的電荷量減少，同時輻照引起的輸出放大器退化使輸出增益減小，兩者的共同作用使得輸出電壓降低。

3.3暗信號退化

暗信號是在無光暗場下CCD的輸出端信號，它主要是由光敏區(qū)原子熱激發(fā)產(chǎn)生的。圖5所示為暗信號隨γ輻照及相應(yīng)的常溫退火時間的變化。暗信號隨著輻照劑量的累積不斷上升，且增速不斷加快。在輻照結(jié)束后的100 h內(nèi)，暗信號迅速退火，有明顯的降低；在常溫加電退火200 h以后，暗信號變化緩慢，退火速度明顯降低。

CCD暗信號的來源主要是耗盡區(qū)暗信號IDEP和表面暗信號ISUR，如圖6所示。

圖4　CCD輸出放大器及其簡化結(jié)構(gòu)Fig.4 Output amplifier of CCD and its simplified structure

圖5　暗信號隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.5 Variation of dark signal of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

圖6　CCD暗信號示意圖Fig.6 Schematic diagram of CCD dark signal

式中，q為電子電荷，XDEP為耗盡區(qū)寬度，ni為硅的本征載流子濃度，子DEP為耗盡區(qū)有效載流子壽命，Nss為硅-二氧化硅界面態(tài)密度，滓為電子俘獲截面，Dn為電子的擴(kuò)散系數(shù)，NA為硅的摻雜濃度，L為特征長度。若擴(kuò)散長度大于耗盡區(qū)下面的場自由區(qū)寬度，則L為場自由區(qū)的寬度，否則L為擴(kuò)散長度［22］。

其中耗盡層暗信號主要來源于耗盡層缺陷激發(fā)的電子-空穴對。由于耗盡層中有低的自由載流子密度和高的自建電場，能級位于禁帶中央附近的缺陷激發(fā)的電子-空穴對在自建電場作用下迅速分離，其中電子漂移進(jìn)入埋溝成為轉(zhuǎn)移電荷。由于γ輻照不能產(chǎn)生位移損傷，擴(kuò)散電流主要與P襯底中電子濃度梯度有關(guān)，它和耗盡層暗信號對CCD整體的暗信號貢獻(xiàn)度不大，因此表面暗電流占主導(dǎo)地位，暗信號主要由氧化物和界面態(tài)的生長所決定。

γ輻照在氧化層中產(chǎn)生氧化物陷阱電荷并改變了Si/SiO2界面下的電勢場分布，同時輻照隔斷Si/SiO2界面電荷的連接使界面態(tài)大量產(chǎn)生，而界面態(tài)會向埋溝中輸運(yùn)電荷包交流電荷，從而使得暗信號密度增大。在輻照結(jié)束后的常溫加電退火過程中，一般氧化物陷阱電荷很快中性化，暗信號在初期有明顯下降，但是界面態(tài)和深能級氧化物陷阱不容易退火［23］，因此在常溫加電退火一段后，暗信號不再顯著變化。

3.4暗信號的非均勻性退化

暗信號非均勻性即固定圖像噪聲，定義為在無光照條件下，積分時間為1 s，測試得到的各個有效像元輸出信號的均方根偏差。其中考慮到暗信號噪聲多為高斯型白噪聲，即噪聲平均值為0，所以采取連續(xù)采集多幀信號，先對其取平均值，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算：

式中，M為像元個數(shù)，Voi為第i個像元在1 s內(nèi)的平均輸出信號，Vo為整個像元的平均輸出信號，VFPN為器件的固定圖像噪聲［24］。

暗信號非均勻性主要反映像元之間暗信號分布的差異。圖7所示為暗信號非均勻性隨γ輻照及相應(yīng)的常溫退火時間的變化。其變化趨勢與暗信號相似，隨著輻照劑量的累積，像元之間暗信號的差異增大，并在退火初期有明顯的恢復(fù)。圖8、9為在輻照前和累積劑量達(dá)到100 krad（Si）后的CCD工作在暗場下的raw圖，可以看出，像素灰度值隨輻照劑量的累積明顯抬升。

圖7　暗信號非均勻性隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.7 Variation of dark non-uniformity signal of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

圖8　輻照前的raw圖像素統(tǒng)計(jì)Fig.8 Raw image pixel statistics of pre-irradiation

圖9　輻照100 krad（Si）后的raw圖像素統(tǒng)計(jì)Fig.9 Raw image pixel statistics after irradiation of 100 krad（Si）

圖10 不同劑量下的暗場像素灰度值統(tǒng)計(jì)Fig.10 Dark pixel gray value statistics under different dose

圖10為對raw圖中的的像素灰度值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。隨著輻照劑量的累積，暗場下灰度值峰值右移，說明像素的暗信號隨輻照累積普遍增加。同時，峰值隨劑量增加而不斷下降，且波型整體展寬，說明像素灰度值的分布變得分散，像元之間暗信號的差異顯著增加。

4 暗信號退化的劑量率效應(yīng)

4.1劑量率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

劑量率輻照和退火實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。在輻照階段，暗信號隨γ劑量的累積而上升。輻照100 krad（Si）后，低劑量率輻照下的暗信號增量顯著高于高劑量率。在長時間輻照過程中，低劑量率輻照也伴隨著暗信號的退火，為了排除時間相關(guān)效應(yīng)，高劑量率輻照加退火時間應(yīng)與低劑量率輻照時間相等，并且整個輻照和退火過程中器件偏置和環(huán)境溫度完全相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)高劑量率輻照加退火時間與低劑量率的輻照時間相等時，高劑量率輻照產(chǎn)生的暗信號仍大約是低劑量率輻照下的2倍，這表明本款器件存在潛在的低劑量率損傷增強(qiáng)。暗信號增量與輻照累積的劑量和輻照時間有關(guān)。忽略輻照時間，在輻照不同劑量下，對比初值暗信號增量，結(jié)果如表1所示。在輻照30 krad（Si）和50 krad（Si）后，在劑量率為0.1 rad（Si）/s輻照下，暗信號增幅分別是劑量率50 rad（Si）/s的6.8倍和5.5倍；但隨著輻照劑量的繼續(xù)累積，在100 krad（Si）后，高劑量暗信號增幅只是低劑量率的大約2倍，說明選擇適當(dāng)輻照劑量也許會使ELDRS效應(yīng)更加明顯。

圖11　不同劑量率下的暗信號隨輻照劑量率和退火時間的變化Fig.11 Variation of dark signal of CCD under different dose rate and room temperature annealing time

表1　累積不同劑量下的暗信號對比初值的增量Tab.1 Increment of the dark signal under different doses

圖12　暗信號與輻照劑量率的關(guān)系Fig.12 Relationship between dark signal and irradiation dose rate

暗信號與劑量率的關(guān)系如圖12所示。0.1 rad（Si）/s輻照下的暗信號增幅最大，暗信號與劑量率呈負(fù)相關(guān)，實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)劑量率拐點(diǎn)。

4.2劑量率效應(yīng)的機(jī)理分析

在柵介質(zhì)的制備過程中，由于工藝原因和空氣中水氣的介入，柵氧化物中含有取代二氧化硅橋氧的氫原子（圖13（a）），它俘獲空穴極化后形成質(zhì)子并通過跳躍輸運(yùn)到界面，如圖13（b）、（c）所示。質(zhì)子輸運(yùn)到Si/SiO2界面處與該硅氫鍵作用生成氫分子，同時產(chǎn)生一個懸掛鍵。由于質(zhì)子對電子的俘獲截面小于慢移動或者處于亞穩(wěn)態(tài)的空穴，所以相比于質(zhì)子，空穴更容易和電子復(fù)合［25-27］。高劑量率輻照產(chǎn)生高密度電子-空穴對，大量空穴在被氫原子俘獲之前更傾向與電子復(fù)合，這大大降低了氫原子俘獲空穴的幾率［28-29］，減少了氧化物中釋放的質(zhì)子，這使得輸運(yùn)到Si/SiO2界面的質(zhì)子數(shù)量降低，從而抑制了界面態(tài)的產(chǎn)生過程，如公式（6）所示。相反，低劑量率輻照下的低密度空穴-電子對使氫原子俘獲空穴幾率增加，更有利于質(zhì)子輸運(yùn)到Si/SiO2界面，從而促進(jìn)界面態(tài)的產(chǎn)生。因此，在輻照劑量相同時，低劑量率γ輻照對表面暗信號的增強(qiáng)高于高劑量輻照。

圖13?。╝）二氧化硅中橋氧形成空位機(jī)理；（b）二氧化硅與氫分子的熱作用圖；（c）俘獲空穴后，氫原子電離成質(zhì)子通過跳躍輸運(yùn)向截面。Fig.13 （a）Schematic diagram of a dimer O vacancy in SiO2as processed.（b）Exothermic reaction between SiO2and H2.（c）H capture an hole.

5 結(jié) 論

在不同γ射線輻照劑量率條件下，考察了CCD主要性能參數(shù)的輻射敏感性和劑量率效應(yīng)。輻照CCD器件會使得暗信號及暗信號非均勻性增加，電荷轉(zhuǎn)移效率和飽和輸出電壓降低（在劑量率為0.1，5，50 rad（Si）/s時，參數(shù)退化表現(xiàn)出相同趨勢）。輻照引起像元暗信號增加，隨著劑量的累積，暗場像素灰度值整體抬升，且像素間灰度值差異增大。分析認(rèn)為，暗場下的灰度值隨著暗信號而變化。飽和輸出電壓下降是由于輻照中引起CCD柵氧正電荷和界面態(tài)大量產(chǎn)生，使得耗盡層深度降低，其可儲存光生電荷量減小，同時輸出放大器的受損也會使得飽和輸出電流降低。暗信號對γ劑量率是比較敏感的參數(shù)，且γ輻照存在低劑量率損傷增強(qiáng)。在累積輻照50 krad（Si）時，低劑量率損傷增強(qiáng)最明顯，劑量率0.1 rad（Si）/s輻照下的暗信號的增量比50 rad（Si）/s大5.5倍。初步認(rèn)為導(dǎo)致低劑量率損傷增強(qiáng)的原因是：取代橋氧的氫原子俘獲空穴的幾率低于電子對空穴的俘獲幾率，高劑量率輻照使柵氧化物中電離效應(yīng)感生電子-空穴對的復(fù)合速率迅速增加，減少橋氫原子的釋放，通過跳躍輸運(yùn)到Si/SiO2界面的質(zhì)子數(shù)量減少，從而抑制了界面態(tài)的產(chǎn)生。同時，劑量率效應(yīng)的增強(qiáng)程度與劑量有關(guān)，選擇適當(dāng)?shù)膭┝靠梢杂^測到明顯的低劑量率增強(qiáng)效應(yīng)。以上工作將對評估太空中電荷耦合器件的抗輻照能力提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和依據(jù)。

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武大猷（1988-），男，甘肅金昌人，碩士研究生，2010年于蘭州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電成像器件空間輻照效應(yīng)的研究。

Email：1175052897@qq.com

郭旗（1964-），男，新疆烏魯木齊人，研究員，博士生導(dǎo)師，1986年于北京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光電材料與器件空間輻射效應(yīng)方面的研究。

E-mail：guoqi@ms.xjb.ac.cn

Dose Rate Effects of γ Irradiation on CCDs

WU Da-you1，2，WEN Lin1，WANG Chao-min3，HE Cheng-fa1，GUO Qi1*，LI Yu-dong1，ZENG Jun-zhe1，2，WANG Bo1，2，LIU Yuan1，2
（1.Key Laboratory of Functional Materials and Devices Under Special Environments of Chinese Academy of Sciences，Xinjiang Key Laboratory of Electric Information Materials and Devices，Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Chongqing Optoelectronics Research Institute，Chongqing 400060，China）
*Corresponding Author，E-mail：guoqi@ms.xjb.ac.cn

The experiments of dose rate on charge coupled devices（CCDs）were carried out to investigate the relationship between the dose rate and the electrical parameters of the device，and the degradation mechanism was analyzed.With the accumulation of the dose，the dark signal（DS）and dark non-uniformly signal（DNS）increase significantly，and the both charge transfer efficiency（CTE）and saturation output voltage（SOV）tend to decrease slowly.The whole dark pixel value uplifts and the non-uniform between pixels becomes obviously.The dark signal of the CCD is negatively correlated with the dose rate，and the device presents the potential of the-low-dose-rate-damage enhancement effect.It is considered that the dose rate effect is caused by the competition between the interface states and oxide traps，and the mechanism is explained by the electron-hole pair recombination model and the damage model in the annealing process.

charge coupled device；dark signal；enhanced low-dosed rate sensitivity；dark pixel statistics

TP212.14；TN386.5

A

10.3788/fgxb20163706.0711

1000-7032（2016）06-0711-09

2016-02-03；

2016-03-15

國家自然科學(xué)基金（11005152）；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“CCD的空間位移損傷效應(yīng)及評估技術(shù)研究”資助