鄒 旸,黃景昊

(1.中國核工業(yè)建設集團 科技與信息化部,北京 100083; 2.海南核電有限公司 設備管理處,海口 572700)

CMOS圖像傳感器輻射損傷研究

鄒 旸1,黃景昊2

(1.中國核工業(yè)建設集團 科技與信息化部,北京 100083; 2.海南核電有限公司 設備管理處,?？?572700)

考慮γ射線輻射場對視頻監(jiān)控系統(tǒng)中CMOS圖像傳感器的輻照失效損傷,通過機理分析與輻照實驗,研究圖像傳感器的輻射損傷效應以及對其性能參數(shù)的影響.設計輻照實驗,選用同種工藝不同廠商生產(chǎn)的幾類CMOS圖像傳感器,研究γ射線對CMOS圖像傳感器的損傷效應.實驗結果表明,γ射線總劑量效應導致暗電流增大,從而使像素灰度值增大;γ射線瞬態(tài)電離效應在CMOS圖像傳感器像素陣列中形成雪花狀的隨機正向脈沖顆粒噪聲,噪點的數(shù)量與劑量率相關; 彩色圖像受到入射γ光子的干擾相較于暗圖像較弱; 并且當累積劑量低于88.4Gy,劑量率低于58.3Gy/h時,不會產(chǎn)生壞點; 光照充足時γ射線電離輻射對傳感器分辨率、色度及暗電流的影響并不明顯.

CMOS圖像傳感器; 輻照實驗; 輻射損傷

Abstract: We consider the radiation damage of CMOS image sensor in video monitoring system,and analyze the main factors of radiation damage effect on sensors and the impact on it performance parameter through the theoretical analysis of preliminary experimental study.A radiation experiment was designed to study the damage effect of gamma rays on CMOS image sensor.Several kinds of CMOS image sensors produced by different manufacturers were selected for the experiment.The experimental results show that the gamma ray total dose effect leads to the increase of the dark current,so that the pixel value increases.Gamma-ray transient ionization effect forms a snowflake random positive particles pulse noise in CMOS image sensor pixel array,the number of noise related to the dose rate.The interference of incident gamma photons for color image is weaker than for dark image.When the cumulative dose is lower than 88.4Gy (Si),the dose rate is lower than the 58.3Gy/h (Si),it won't produce bad points.When light is adequate,the gamma ray radiation effect on the sensor resolution,color and dark current are not obviously.

Key words: CMOS image sensor,irradiation experiment,irradiation damage

0 引言

采用CMOS圖像傳感器對乏燃料剪切機安全狀態(tài)信息進行實時在線監(jiān)測,能及早發(fā)現(xiàn)設備非正常狀態(tài),提供故障預報,從而提高系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性,減少或避免設備故障帶來的損失.乏燃料剪切熱室內源項條件復雜,CMOS圖像傳感器輻射損傷主要考慮γ射線及熱中子復合輻射場的損傷.目前,國內尚缺乏一套自動化水平高、抗輻射能力強的視頻監(jiān)控系統(tǒng).因此,有必要針對乏燃料剪切熱室中的各類惡劣環(huán)境因素對傳感器性能參數(shù)的影響,以放射性因素為主,開展輻射場對視頻監(jiān)控系統(tǒng)損傷的研究.

近年來,基于研究與工程的需要,以及輻照損傷機理研究的逐步成熟,圖像傳感器輻射效應模擬仿真與抗輻射加固的研究逐漸增多,2011年,西南科技大學王姮[1]等人對受γ射線影響的噪聲圖像進行研究,適應輻射環(huán)境下視屏監(jiān)控的需要; 2014年,中國科學院劉成安[2]等人研制了強輻射環(huán)境下電子系統(tǒng)抗輻射技術,并經(jīng)過實驗檢驗表明,利用該技術防護后,系統(tǒng)工作時間可延長2～4倍; 2013年,西北工業(yè)大學教授胡永才[3]等人基于Geant4模擬仿真,研究了γ射線總劑量效應在CMOS光電二極管的能量沉積.

國外其他學者近年來也對該領域的研究做出了突出的貢獻.2011年,意大利國家核物理研究所研究員Leonello Servolia[4]等人用24MeV質子對130nm無抗輻射加固的標準CMOS圖像傳感器進行了輻照實驗,并發(fā)現(xiàn)在注量為1013proton/cm2時器件仍能工作,且噪聲增量適中(20%).2012年,英國克蘭菲爾德大學工程與應用科學系David W.Lane[5]討論了商用OmniVision OV7411型傳感器在X射線成像和光譜響應中的應用.2013年,匈牙利學者Gábor Náfrádi[6]等人研究智能相機受γ射線輻照后的暗電流圖像,發(fā)現(xiàn)暗電流圖像受總劑量效應、劑量率效應和曝光時間影響.同年,德國漢堡大學學者Schwandt[7]等人對4種不同類型的高阻抗N型硅像素傳感器進行了劑量率為1kGy-1GGy的測試,并證實了其具有較好的耐輻照性能.2015年,德國波恩大學學者Tomasz Hemperek[8]等人基于180nm HV-SOI工藝設計了一種絕緣體上硅(Silicon On Insulator,SOI)單片有源像素傳感器(Monolithic Active Pixel Sensor,MAPS),并證實這一技術在MAPS抗輻射加固方面有巨大潛力.同年,意大利帕多瓦大學學者Marta Bagatin和Simone Gerardin發(fā)表的專著[9],系統(tǒng)介紹了MOS器件特別是CMOS圖像傳感器的電離輻射效應與損傷機理.

1 CMOS圖像傳感器基本結構及原理

CMOS有源像素傳感器采用標準CMOS工藝制造,主體結構包含硅光電二極管以及用作開關及放大器的MOS場效應管,像素間利用淺槽隔離(Shallow-Trench Isolation,STI)分割,防止串擾,數(shù)據(jù)采集利用X-Y尋址的像素掃描方式進行.X-Y尋址讀出方式能夠為其提供靈活的選擇方案(例如窗選讀出和跳躍式讀出等),而有源像素結構能有效地抑制讀出路徑上產(chǎn)生和引入的噪聲.CMOS圖像傳感器典型結構如圖1所示.可以看出,CMOS圖像傳感器主要包含控制器、有源像素陣列、讀出電路以及其他集成電路.隨著工藝的發(fā)展和應用領域的不斷拓寬,CMOS圖像傳感器出現(xiàn)了多種結構,其主要區(qū)別在于像敏單元,即像素中晶體管數(shù)量和結構的差別.從廣泛使用的3T-APS(包含3個晶體管)到目前最先進的8T-APS(包含8個晶體管),基于標準CMOS工藝生產(chǎn)的3T及4T APS已被廣泛商業(yè)化應用.

圖1 CMOS圖像傳感器典型結構

CMOS圖像傳感器是利用積分模式收集電荷,并轉化為電壓、電流信號.光電二極管(PD)是CMOS圖像傳感器的電荷收集單元.PD的積分模式可以被解釋為由總光電流產(chǎn)生的充電電容放電的過程.通常PD是襯底為P型半導體,因此其少子為電子.對于PD中的PN結光電二極管結構,可視作結電容,其值為

表示.其中Vbi為內建電勢差;mj為與結形狀相關的參數(shù),對于PPD所采用的突變結其值為0.5.正是由于PD的積分模式,光電二極管存在最大電荷儲存能力,把光電二極管電容能夠儲存的最大電荷量稱為滿井容量,可由

表示.其中q為電子電荷量;Vres、Vmax分別為復位電壓和最大電壓.當光電二極管內所產(chǎn)生的總光電流使光電二極管電容全部放電時,則有

聯(lián)立以上式子,可得光電二極管電壓與總光電流的關系式:

其中V0、C0分別為復位后的初始電壓和電容值;Tint為積分時間.由式(5)可以看出,光電二極管正向壓降與總光電流呈正相關關系.此時,光電二極管的結變電壓VPD為

經(jīng)過放大器與ADC后,VPD或Jtotal被轉化為數(shù)字信號量DN并輸出.因此,輸出信號量DN與光電二極管收集的電荷量存在線性關系.

2 γ射線對CMOS圖像傳感器參數(shù)影響研究

2.1 實驗條件

實驗在中國原子能科學研究院進行,采用柱狀60Co γ射線放射源,放射源平均活度為90kCi,輻射場不均勻度小于10%,環(huán)境溫度約為21℃,實驗現(xiàn)場環(huán)境如圖2所示.

圖2 柱狀60Coγ射線輻射實驗環(huán)境

圖3 CMOS圖像傳感器參數(shù)測試實驗框架圖

選用豪威、美光、索尼3家廠商生產(chǎn)的商用CMOS圖像傳感器進行輻照實驗.樣品均放置于暗箱內進行實驗.環(huán)境溫度保持在室溫條件.為避免圖像傳感器后端部分的集成電路收到輻射損傷,將傳感器電路單元置于特制的金屬鎢盒中.實驗系統(tǒng)框架圖如圖3所示.

2.2 實驗結果與討論

圖4為劑量率在0Gy/h、20.20Gy/h、58.30Gy/h環(huán)境下,γ輻射對CMOS圖像傳感器所采集暗圖像造成的干擾情況.同一劑量率下,各類實驗樣品中觀察到的噪聲程度不同,但噪聲的數(shù)量與輻射劑量率的關系呈正相關.

圖4 輻照前及輻照期間暗圖像監(jiān)控畫面

(1)顆粒脈沖噪聲

圖4表明,圖像中的顆粒脈沖噪聲與輻射劑量率呈正相關關系.實驗中無輸入信號的暗圖像對照組表明,輸出信號的灰度值隨劑量率增加而升高.圖5為11#、12#和13#傳感器樣品在劑量率為20.20 Gy/h、58.30 Gy/時各灰度像素點數(shù)量增量分布曲線圖.由圖5可知,CMOS圖像傳感器在實驗中觀察到的脈沖顆粒噪聲和輸出圖像的平均灰度值與劑量率相關.

圖5 劑量率為20.20 Gy/h和58.30 Gy/h時各灰度像素點數(shù)量增量分布曲線圖

(2)分辨率

分辨率體現(xiàn)了CMOS圖像傳感器對所采集圖像細節(jié)的描述程度,這一參數(shù)反映了給定圖像尺寸下所包含的細節(jié)信息.分辨率的測量通常采用測試圖進行評價,圖6為輻照前與輻照期間三類樣品的分辨率測試圖.由圖6可知,輻照前,三類樣品的分辨率基本可以達到10,但隨著劑量率的增大,到達20.2Gy/h時,21#、23#樣品分辨率有所下降; 當劑量率達到58.3Gy/h時,三類樣品的分辨率下降至9以下,其中23#樣品下降至8.結合暗電流的測算結論可知,入射γ射線造成的分辨率下降有3種可能: ①入射光子由于電離產(chǎn)生的光電流,與自然光疊加后,輸出模擬信號幅值增大,受到入射光自電離輻射影響的像元無法反應真實值,從而導致分辨率下降; ②入射光子在光電二極管襯底處電離產(chǎn)生的電子空穴對,其中一部分載流子進入相鄰像元,當電離產(chǎn)生的電子空穴對數(shù)量較大時,相鄰兩個像元的光電二極管內總光電流相近,從而導致分辨率下降,這一現(xiàn)象類似于長波長光照引起的漏光(smear); ③入射光子在某一個像元的光電二極管內電離產(chǎn)生大量的電子空穴對,導致該像元的電荷飽和并泄漏到相鄰像元中,這一現(xiàn)象類似于高光溢出(blooming).

圖6 不同劑量率條件下 3類CMOS圖像傳感器所采集分辨率測試圖

(3)暗電流

暗電流是指CMOS圖像傳感器在沒有輸入信號的時候內部產(chǎn)生的反向直流電流.輻射引起的暗電流與增大器件結構密切相關,主要是由于淺槽隔離氧化物與沉底界面及近界面處產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷以及界面態(tài)造成的.本底暗電流Jdark可通過暗圖像的平均灰度值進行表征,而經(jīng)過輻照后,圖像傳感器的暗圖像平均灰度為輻照后的總暗電流值所表征,關系為

其中Jd′ark為CMOS圖像傳感器暗電流值,ΔJd′ark為輻射后增加的暗電流增量.

由此可知,進行輻照實驗后,實驗樣品的暗圖像灰度增加量等于總劑量效應導致的暗電流增加量.圖7給出了11#、12#和13#CMOS圖像傳感器樣品輻照前以及累積劑量分別達到26.02Gy以及88.4Gy后,暗圖像的平均灰度值.

從圖7中可以看出,實驗前3個傳感器樣品本底接近于0.輻照后,11#樣品暗圖像平均灰度增大較為明顯,12#樣品與13#樣品基本無變化; 當累積劑量達到26.02Gy時,11#樣品的平均灰度值停止增加并趨于飽和.

圖8為21#、22#和23# CMOS圖像傳感器樣品輻照前以及累積劑量分別達到26.02Gy以及88.4Gy后,彩色圖像的平均灰度值.對于有信號輸入的彩色圖像,輻照過后其平均灰度均有所增大,增大程度與累積劑量相關,不呈線性關系.并且在同一累積劑量條件下,有信號輸入的傳感器較無信號輸入的傳感器受到電離輻射的影響更大.

圖7 輻照前后暗圖像平均灰度

圖8 輻照前后彩色圖像平均灰度

3 結論

(1)總劑量效應為γ射線對CMOS圖像傳感器損傷的主要表現(xiàn).輻射在MOS結構的Si/SiO2近界面處產(chǎn)生氧化物陷阱電荷,在界面處產(chǎn)生界面態(tài),并在這兩種電荷的聯(lián)合作用下,傳感器暗電流增大,在相同的積分時間內,像素灰度值也就增大.又由于產(chǎn)生這部分暗電流的像素點在整個CMOS圖像傳感器的感光元件中呈泊松分布,從而形成了CMOS圖像傳感器的暗電流背景噪聲.

(2)不同類型不同廠商生產(chǎn)的CMOS圖像傳感器在相同輻射劑量率下產(chǎn)生的白色顆粒噪聲數(shù)量不同,但CMOS圖像傳感器無輸入信號的暗圖像中噪點的數(shù)量均隨劑量率增大而增多.

(3)有輸入信號的彩色圖像受到入射γ光子的產(chǎn)生的輻射效應較弱,但暗圖像對輻射劑量率十分敏感.這是由于暗電流及脈沖顆粒噪聲對畫面的影響程度與光電二極管積分時間有關.

綜上所述,當累積劑量低于88.4Gy,劑量率低于58.3Gy/h時,CMOS圖像傳感器性能參數(shù)受γ射線電離輻射影響雖因生產(chǎn)商不同而有所差異,但在光照較為充足的條件下,能夠滿足輻射環(huán)境下進行短時間觀測的需要,并且通過抗輻射加固手段以及合適的退火手段,能夠極大地延長視頻監(jiān)控系統(tǒng)CMOS圖像傳感器在放射性環(huán)境中的工作壽命和圖像信息采集質量.

本研究為圖像傳感器抗輻射加固和放射環(huán)境視頻監(jiān)控研究提供了數(shù)據(jù)和技術支持.

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Experimental Study on Radiation Damage of CMOS Image Sensor

ZOU Yang1,HUANG Jinghao2
(1.Department of Technology and Information Technology,China Nuclear Industry Construction Group Corporation,Beijing 100083,China; 2.Equipment Management Office,Hainan Unclear Power Co.,Ltd,Haikou 572700,China)

TN29

A

1672-5298(2017)03-0044-06

2017-07-02

鄒 旸(1984? ),男,江西安福人,博士,中國核工業(yè)建設集團科技與信息化部工程師.主要研究方問: 圖像傳感