曹中祥，鐘紅軍，張運方，李全良

0 引 言

星敏感器通過對空間恒星成像，獲得恒星觀測矢量，采用星圖匹配的方法確定星敏感器光軸在慣性空間的指向，利用敏感器本體坐標系和載體姿態(tài)坐標系的轉換關系，確定載體姿態(tài)，是三軸穩(wěn)定航天器必不可少的姿態(tài)敏感器.星敏感器中核心元器件為圖像傳感器芯片，早期星敏感器都是以CCD圖像傳感器作為恒星成像器件，隨著星敏感器低功耗、微小型化的需求日趨增多以及CMOS工藝的進步，基于CMOS圖像傳感器的星敏感器成為目前市場上的主流產(chǎn)品[1].星敏感器在軌工作時，太空環(huán)境中存在著大量的高能粒子、質子、中子、X射線、γ射線等輻射源[2]，會對星敏感器中的CMOS圖像傳感器造成輻射損傷.目前國內外很多研究小組對CMOS圖像傳感器的輻射效應進行大量研究[3-6]，由于空間輻射效應的復雜性及圖像傳感器像素結構的多樣性，多數(shù)研究工作僅對CMOS圖像傳感器的輻射效應進行獨立分析，未對由于CMOS圖像傳感器總劑量效應導致星敏感器整機性能退化進行系統(tǒng)分析.

對星敏感器用典型的4T(transistor, T)像素CMOS圖像傳感器進行電離總劑量機理研究，進而通過輻照試驗，獲得器件相關參數(shù)隨輻照劑量的退化規(guī)律，最后分析了由于CMOS圖像傳感器性能退化導致星敏感器整機性能的退化，并給出可提升性能的措施.

1 總劑量效應機理研究

4T像素結構見圖1所示，包含1個掩埋型光電二極管(pinned photodiode, PPD)、1個傳輸管(transfer gate, MTG)、1個復位管(reset gate, MRST)、1個源跟隨器(source follower, MSF)以及一個行選擇管(select gate, MSEL)，由于像素內包含4個晶體管，因此該像素結構被稱為4T像素.4T像素由于將光生電荷區(qū)PPD和電荷存儲區(qū)(float diffusion, FD)通過傳輸管隔離，從而可以實現(xiàn)相關雙采樣(correlated double sampling, CDS)，消除像素復位噪聲及固定模式噪聲等，從而使得基于4T像素結構的CMOS圖像傳感器性能優(yōu)于早期3T像素結構的CMOS圖像傳感器[7].后來提出的多種像素結構，包含5T像素結構[8]、6T像素結構[9]、8T像素結構[10]以及9T像素結構[11]等，基本都是由4T像素結構改進而來，因此研究4T像素CMOS圖像傳感器的總劑量效應非常典型，研究結果對于采用其他像素結構CMOS圖像傳感器的星敏感器總劑量效應評估具有很好的借鑒意義.

圖1 4T像素結構Fig.1 4T pixel schematic

4T像素光生電荷產(chǎn)生區(qū)在PPD區(qū)域內，光生電荷存儲區(qū)及光生電荷到電壓的轉換區(qū)在FD點，中間由傳輸管MTG實現(xiàn)光生電荷的轉移，因此，對于該部分區(qū)域的總劑量效應分析可以解釋4T像素由于總劑量效應導致的性能下降.圖2所示為PPD、MTG及FD點物理橫截面圖.

如圖2所示，總劑量效應對器件的影響主要為4個區(qū)域，從而導致器件性能下降，這4個區(qū)域分別為淺槽隔離區(qū)(shallow trench isolation, STI)、Si-SiO2界面區(qū)、TG柵氧層區(qū)域以及PPD-TG交疊區(qū).下面分別對這4個區(qū)域的總劑量效應進行分析，然后再對這4個區(qū)域的總劑量效應對器件性能的影響進行總結.

圖2 PPD、MTG及FD點物理橫截面圖Fig.2 Cross sectional view of 4T pixel

CMOS圖像傳感器像素內STI區(qū)域作用為像素內晶體管及像素間PPD區(qū)域的物理隔離.一般設計中，STI區(qū)域需要完全包住PPD，因此PPD區(qū)域與STI區(qū)域界面區(qū)域面積很大.STI區(qū)域在半導體制造工藝中實現(xiàn)方式為在晶圓中通過刻蝕的方式刻蝕出溝槽，然后通過淀積的方式在溝槽內填充絕緣物，一般為SiO2等，因此STI區(qū)域與PPD區(qū)域的界面全是由Si-SiO2組成.在γ射線輻照下，隨著總劑量的累積效應，在Si-SiO2界面形成大量的界面態(tài)和陷阱電荷，隨著輻射總劑量的增加界面態(tài)和陷阱電荷的密度增加，從而在暗場情況下產(chǎn)生暗電流.

PPD表面的Si-SiO2區(qū)域輻照效應機理與STI區(qū)域一致，均為輻照后界面態(tài)及陷阱電荷密度增加.但由于在PPD表面有層重摻雜的P+區(qū)域，該部分重摻雜區(qū)域可以將N-PPD區(qū)域與Si-SiO2的界面態(tài)和陷阱電荷進行隔離，因此該部分區(qū)域對暗電流影響較小.由于短波基本在Si表面吸收，因此該部分區(qū)域的短波吸收產(chǎn)生的光生電荷將被復合或者被俘獲，導致光生電荷減少，表現(xiàn)為器件光強減弱.

TG柵氧層區(qū)域由于PPD內的光生電荷需要通過TG下方溝道轉移到FD點，因此該區(qū)域的界面態(tài)和陷阱電荷將導致轉移的電荷部分在該區(qū)域被復合或者被陷阱電荷俘獲，從而導致轉移到FD點的光生電荷數(shù)量減少，表現(xiàn)為光強響應減弱.另外，由于柵氧化層受輻照后的電荷積累，導致TG管的閾值電壓發(fā)生偏移[12]，從而對PPD內電荷最大收集能力產(chǎn)生影響.

圖3所示為PPD、MTG及FD點電勢圖，其中PPD的滿阱容量定義為：

滿阱容量=(?TG-?PPD)CPPD

(1)

式中，?PPD是PPD復位狀態(tài)下所能達到的最高電勢，?TG是TG管關閉狀態(tài)下TG管溝道的最低電勢，CPPD是PPD耗盡區(qū)所形成等效電容.?PPD與CPPD不隨輻照總劑量增加而變化，而?TG隨輻照總劑量增加而降低，因此導致滿阱容量下降.

圖3 PPD、MTG及FD點電勢圖Fig.3 Potential diagram of the 4T pixel

PPD-TG區(qū)域在TG管溝道下方Si-SiO2界面處，由于無P+重摻雜隔離，該部分輻照后對暗電流增加起到明顯作用.其次由于該部分為PPD內電荷向TG管溝道轉移的關鍵區(qū)域，該區(qū)域的電勢分布對電荷轉移影響較大[13-14].圖8所示為輻照后的PPD-TG區(qū)域電勢分布圖，理想狀態(tài)下，PPD-TG的電勢分布為梯度遞減，使得PPD內電荷由于電勢差向TG轉移，由于總劑量效應導致PPD-TG區(qū)域電勢分布發(fā)生變化，產(chǎn)生電荷勢壘或勢阱，使得PPD內的電荷無法完全轉移到FD點，表現(xiàn)為器件光強響應減弱.

圖4 輻照后PPD、MTG及FD點電勢圖Fig.4 Potential diagram of the 4T pixel after TID

綜上，針對所述4個區(qū)域輻照后對器件性能影響匯總見表1所示.

表1 輻照后器件性能影響Tab.1 Degradation of 4T pixel induced by radiation

2 試驗方案及試驗結果

電離總劑量輻照實驗是在北京大學鈷源室進行，輻照源為鈷-60γ射線源.實驗的總劑量為100 krad(Si)，測試點分別為0 krad(Si)，30 krad(Si)，50 krad(Si)及100 krad(Si)，劑量率為0.1 rad(Si)/s，劑量率計量不確定度小于5%.

試驗樣品為某進口工業(yè)級CMOS圖像傳感器，分辨率為1 024×1 024，內部集成12位ADC(analog-to-digital convertor)，工作方式為卷簾曝光方式.試驗樣品數(shù)量為5只，在各個測試點需要進行性能測試，通過性能測試對比找出器件性能隨輻照劑量變化的規(guī)律.采用基于光子轉移曲線(photon transfer curve, PTC)方法進行器件性能測試，基于PTC理論，可測試得到器件的相關光電性能參數(shù)，從而可以獲得器件相關性能參數(shù)隨輻照劑量變化的規(guī)律.下文分別給出暗電流及暗電流不一致性、光強響應及滿阱容量隨輻照劑量變化的規(guī)律，并對其物理產(chǎn)生機理進行了分析.

2.1 暗電流及暗電流不一致性

暗電流指的是像素在暗場情況下，像素內部由于缺陷等產(chǎn)生的熱載流子而形成的電流，暗電流的表現(xiàn)為像素在暗場情況下隨曝光時間增加，像素輸出幅值也增加.暗電流計量單位為e-/pixel/s.暗電流不一致性指的是像素陣列中由于工藝制造等的偏差，導致每個像素暗電流大小不一致.暗電流不一致性的表現(xiàn)為像素在暗場情況下隨曝光時間增加，每個像素輸出幅值增加不一致.暗電流不一致性的計量單位為e-/s.

圖5所示為被測樣品平均暗電流輸出隨輻射劑量的變化曲線，圖中橫坐標為輻照累計總劑量，圖中縱坐標為平均暗電流，由于暗電流與器件溫度相關性較大，因此測試時，選擇在25 ℃條件下進行測試.從曲線可以看出，隨著輻照總劑量增加，暗電流呈近似線性增長.

圖6所示為被測樣品暗電流不一致性輸出隨輻射劑量的變化曲線，圖中橫坐標為輻照累計總劑量，圖中縱坐標為暗電流不一致，同樣選擇在25 ℃條件下進行暗電流不一致性測試.從曲線可以看出，總劑量較小時，暗電流不一致性增加明顯，隨著輻照總劑量增加，暗電流不一致性增長速度放緩.

2.2 光強響應及滿阱容量

CMOS圖像傳感器的光強響應反映的器件收集光子并轉換為電子的能力，測試中，采用固定光照強度，調整曝光時間的方法進行測試，為了剔除暗電流影響，光強響應每個曝光點均減去暗場圖像.滿阱容量指的是像素最大可容納電子數(shù)量的能力，現(xiàn)象為在器件輸出增大到一定值后，隨著曝光時間增加，器件輸出值不再增大.

圖7所示為被測樣品在0krad(Si)、30krad(Si)、50krad(Si)及100krad(Si)總劑量下的光強響應曲線.圖中橫坐標為曝光時間，圖中縱坐標為像素平均輸出，從圖中可以看出，隨著輻照總劑量增加，被測樣品光強響應呈下降趨勢.

圖5 平均暗電流隨輻照總劑量變化圖Fig.5 Change of dark current versus different dose

圖6 暗電流不一致性隨輻照總劑量變化圖Fig.6 Change of DSNU versus different dose

圖7 不同輻照總劑量條件下的光強響應曲線Fig.7 Change of photo response versus different dose

圖8所示為被測樣品滿阱容量隨輻射劑量的變化曲線，圖中橫坐標為輻照累計總劑量，圖中縱坐標為像素飽和輸出，從曲線可以看出，隨著輻照總劑量增加，滿阱容量呈近似線性下降.

圖8 滿阱容量隨輻照總劑量變化圖Fig.8 Change of full well capacity versus different dose

3 對星敏感器性能影響及應對措施

由上述CMOS圖像傳感器輻照試驗結果及機理分析可知，星敏感器用CMOS圖像傳感器輻照后性能明顯下降，主要表現(xiàn)為暗電流及暗電流不一致性增加、光強響應減弱以及滿阱容量降低.這些性能參數(shù)的下降均會對星敏感器的整機性能造成影響.下面主要針對星敏感器的一項重要性能指標—星點定位誤差的總劑量效應影響進行分析.

3.1 星點提取的亞像元質心算法

目前星點提取算法很多，主要對經(jīng)典的亞像元質心算法進行分析.理論上，星點的能量分布服從二維高斯分布[15]，其表達式為：

I(x,y)=

(2)

式中，I(x,y)為質心在(x0,y0)的星點在坐標(x,y)處的能量值，I0為星點總能量，δPSF為高斯寬度.根據(jù)亞像元質心算法，計算得到的星點位置(xδ,yδ)為：

(3)

其中，(xij,yij)為實際星點中每個像元的坐標值，Uij為實際星點中每個像元的灰度值.理論上，計算得到的星點質心(xδ,yδ)與(x0,y0)一致，實際上，由于噪聲的存在及星點能量的分布影響，計算得到的星點質心(xδ,yδ)與(x0,y0)存在一定偏差，該偏差一般用星點定位誤差評價.

3.2 總劑量效應對星點定位誤差影響

根據(jù)文獻[13]，采用亞像元質心算法時，星點定位誤差與開窗大小、星點高斯寬度、像元大小以及噪聲等均有關系.直接引用其結論，采用5×5開窗大小時，星點定位誤差與噪聲及星點能量的關系見表2所示，為了簡化分析過程，只引用與輻照后性能下降相關的參數(shù)對星點定位誤差的影響，其中暗電流引起的噪聲為暗電流散粒噪聲，其大小為暗電流的平方根.

表2 星點定位誤差公式Tab.2 Summary of accuracy formula

表中，L0為星點5×5窗口內的總能量，ND為暗電流散粒噪聲，大小為暗電流的平方根，NDCNU為暗電流不一致性噪聲.由于暗電流散粒噪聲及暗電流不一致噪聲與曝光時間及溫度有關系，分析時溫度設定為25 ℃，曝光時間設定為200 ms.根據(jù)樣品的輻照試驗結果，下面分別分析L0、ND及NDCNU與輻照總劑量的關系，最后得到星點定位誤差與輻照總劑量的關系.

考慮星點亮星與暗星能量差異較大，取星點最大能量為滿阱容量的30%.根據(jù)星點能量的分布，5×5窗口內每個像素坐標的星點能量近似高斯分布，從圖4所示光強響應曲線找出對應曝光點能量進行統(tǒng)計，可以得到星點總能量隨輻照總劑量關系如圖9所示.

圖9 星點總能量隨輻照總劑量變化圖Fig.9 Change of full well capacity versus different dose

由圖5可知，暗電流隨輻照總劑量呈線性增長關系.由表2試驗數(shù)據(jù)，可以計算得到暗電流散粒噪聲隨輻照總劑量變化關系.由圖6可得到暗電流不一致性隨輻照總劑量的變化關系.根據(jù)圖9計算得到的星點總能量隨輻照總劑量變化關系，可計算得到由于暗電流散粒噪聲、暗電流不一致噪聲以及這兩者噪聲疊加導致星點定位誤差隨輻照總劑量的變化關系，如圖10所示，隨輻照總劑量增加，星點定位誤差增大，在100 krad(Si)總劑量下，星點定位誤差相比輻照前增加約3倍.

圖10 星點定位誤差隨輻照總劑量變化圖Fig.10 Change of full well capacity versus different dose

3.3 總劑量效應應對措施

綜上所述，基于4T像素CMOS圖像傳感器的星敏感器由于總劑量效應導致星點定位誤差隨輻照劑量增加持續(xù)增大，為了減小星敏感器在軌工作性能受輻照影響，除結構屏蔽等常規(guī)措施外，根據(jù)分析的器件性能退化機理在電路及時序設計上，留出一定余量.根據(jù)文獻[14-15]，CMOS圖像傳感器電荷轉移不完全可以通過增加TG管電荷轉移的開啟時間以及調整TG管控制電壓和FD點的復位電壓實現(xiàn).因此，可通過地面試驗，在滿足電壓及時序降額設計的基礎上，增加TG管電荷轉移的開啟時間、提高TG管的控制電壓以及提高FD點的復位電壓，從而提高受輻照后的器件的電荷轉移效率，降低由于輻照效應導致的器件光強響應減弱.

4 結 論

本文研究了星敏感器用典型的4T像素CMOS圖像傳感器電離總劑量效應產(chǎn)生機理，輻照試驗結果表明，由于像素內部界面態(tài)及陷阱電荷等受輻照影響而增加，導致暗電流及暗電流不一致性增加；像素內部TG管受輻照影響，導致TG管閾值電壓偏移以及PPD-TG處溝道電勢分布發(fā)生變化，使得像素光強響應減弱以及滿阱容量降低.針對總劑量效應引起CMOS圖像傳感器性能退化導致星敏感器星點定位誤差增大問題，提出在軌使用時CMOS圖像傳感器采用增加像素內TG管電荷轉移的開啟時間、提高TG管的控制電壓以及提高FD點的復位電壓等措施，可降低總劑量效應引起的星點定位誤差.