圖像傳感器單粒子效應(yīng)脈沖激光實(shí)驗(yàn)研究

曹 洲，把得東，薛玉雄，高 欣，安 恒 ，陳世軍，翟厚明

(1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000；2.上海技術(shù)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院紅外成像材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200083)

0 引言

由于CMOS圖像傳感器具有功耗低、集成度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、單一電源供電等優(yōu)點(diǎn)，在航天器中有著廣泛的應(yīng)用前景。如在深空探測(cè)、高分辨率圖像傳感、納米衛(wèi)星等中作為關(guān)鍵部件，其應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。空間輻射環(huán)境中充斥著高能帶電粒子，如高能重離子等[1]，當(dāng)CMOS圖像傳感器工作在空間輻射環(huán)境中時(shí)，重離子誘導(dǎo)的單粒子效應(yīng)將對(duì)傳感器造成輻射損傷和故障，甚至?xí)?dǎo)致器件失效。因此，研究CMOS 圖像傳感器的空間單粒子效應(yīng)及加固設(shè)計(jì)十分必要，文章進(jìn)行了CMOS 圖像傳感器的空間單粒子效應(yīng)脈沖激光模擬試驗(yàn)研究，分析了試驗(yàn)結(jié)果，探討了新型成像器件單粒子效應(yīng)的特點(diǎn)和損傷機(jī)理。

1 器件結(jié)構(gòu)與原理簡(jiǎn)介

試驗(yàn)中采用的樣品為512×512 CMOS APS 圖像傳感器,器件采用3T APS結(jié)構(gòu)方式設(shè)計(jì)，25 μm間距512×512像素陣列，工作在可見(jiàn)光550～750 nm波段范圍內(nèi)。器件采用雙采樣電路消除固定圖像噪聲，具有增益可變和積分時(shí)間可調(diào)等功能。器件封裝形式為64陶瓷針柵陣列管座封裝。

1.1 電路結(jié)構(gòu)

512×512 CMOS APS可見(jiàn)光圖像傳感器的總體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖中虛框中的時(shí)序電路由外部提供。

圖1 512×512 CMOS可見(jiàn)光圖像傳感器總體框圖

成像器由像素列陣、兩個(gè)行控制移位寄存器Yrd和Yrst、列信號(hào)讀出移位寄存器Xrd、列輸出電荷放大器、雙采樣保持電路等組成。器件的光敏感區(qū)由512行像素單元組成，每行包含像素520個(gè)單元，其中有效像素為512個(gè)，像素之間的間距為25 μm。

成像器工作模式為滾動(dòng)快照模式，整個(gè)曝光過(guò)程是逐行順序曝光，但是每一行內(nèi)的像素是同時(shí)曝光。曝光后通過(guò)行選擇電路來(lái)選取要讀出的像素行，一行內(nèi)的像素通過(guò)列移位寄存器順序選通讀出。在滾動(dòng)快照模式下，一般來(lái)說(shuō)，器件的積分時(shí)間應(yīng)大于或等于幀讀出時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間小于幀讀出時(shí)間的工作狀態(tài)，電路采用兩路行掃描移位寄存器，其中一路控制行的選通讀出(READ)，另一路控制行復(fù)位(RESET)。圖1中左邊移位寄存器控制行信號(hào)讀出，右邊移位寄存器控制行復(fù)位，積分時(shí)間Tint為行復(fù)位和行讀出之間的時(shí)間間隔。

1.2 像素結(jié)構(gòu)及工作原理

像素采用3T 有源結(jié)構(gòu)[2]，如圖2所示，其具有較高的二極管填充因子。晶體管T2把積累在光電二極管PN結(jié)上的電荷轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)(如圖2 所示PD節(jié)點(diǎn))，再把這個(gè)電壓信號(hào)通過(guò)T3選通管傳遞到列總線(xiàn)(Column Bus)上去。RESET和READ作為晶體管的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)如圖3所示，由兩個(gè)行移位寄存器控制。

圖2 3T像素結(jié)構(gòu)

圖3 3T像素結(jié)構(gòu)工作原理

行移位寄存器(Yrd、Yrst)和列移位寄存器(Xrd)分布在陣列外圍，各自獨(dú)立工作，兩個(gè)行移位寄存器位數(shù)為512，列移位寄存器用于選擇每行列信號(hào)的讀出，它的位數(shù)為520。同一列所有像素的輸出都連接到列總線(xiàn)，且在列總線(xiàn)上都有一個(gè)放大采樣電路。輸入信號(hào)控制列電荷放大器復(fù)位參考電壓輸出，電荷放大器將像素的復(fù)位電壓和光信號(hào)電壓的差值進(jìn)行放大，它可以消除像素級(jí)的固定圖像噪聲(FPN)，列電荷放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)雙采樣電路，由R、S輸入信號(hào)分別控制光信號(hào)和復(fù)位參考信號(hào)輸出。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

激光模擬單粒子效應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)主要由激光器系統(tǒng)、聚焦定位系統(tǒng)、控制單元等組成[3]。激光器波長(zhǎng)分別為1 064 nm/532 nm、1 079 nm/540 nm； 脈寬分別為20～30 ps、20～30 ns；脈沖激光束聚焦光斑直徑約1.8～3.0 μm，試驗(yàn)CMOS APS樣品板固定在X-Y移動(dòng)平臺(tái)上，平臺(tái)可三維調(diào)節(jié)，最小移動(dòng)步長(zhǎng)為0.125 μm，最大移動(dòng)面積100 mm×1 000 mm。試驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)脈沖激光模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的激光束進(jìn)行精確的聚焦定位，其次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(duì)CMOS APS圖像傳感器進(jìn)行照射。圖4給出了照射位置示意圖(十字光標(biāo)線(xiàn)位置)。

通過(guò)數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)CMOS圖像傳感器APS器件輸出波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判斷器件是否發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。通過(guò)監(jiān)測(cè)CMOS圖像傳感器電源電流的變化情況，判斷器件是否發(fā)生單粒子鎖定現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,依據(jù)CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),首先針對(duì)可能對(duì)單粒子效應(yīng)比較敏感的移位寄存器開(kāi)展了初步的摸底試驗(yàn)，摸底試驗(yàn)表明，移位寄存器的不同位置，其發(fā)生單粒子效應(yīng)的敏感性不同。

針對(duì)產(chǎn)生單粒子效應(yīng)的脈沖激光能量，試驗(yàn)中采用逐漸能量逼近的方法(逐漸升高或降低輻照脈沖激光能量)，確定CMOS圖像傳感器APS器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)或單粒子鎖定的能量閾值。利用上述方法完成了CMOS圖像傳感器APS器件發(fā)生單粒子效應(yīng)的檢驗(yàn)試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)研究中，重點(diǎn)針對(duì)CMOS圖像傳感器中的移位寄存器開(kāi)展了單粒子效應(yīng)敏感性實(shí)驗(yàn)，分別采用波長(zhǎng)為1 064 nm、1079 nm的脈沖激光，獲得了圖像傳感器中移位寄存器，輸出端BUFFER區(qū)，輸入端BUFFER區(qū)及象素區(qū)域的單粒子效應(yīng)特征參數(shù)，主要包括發(fā)生單粒子效應(yīng)的脈沖激光能量閾值、鎖定電流大小及達(dá)到的未發(fā)生單粒子效應(yīng)的最大激光能量值等。

圖4 CMOS圖像傳感器照射位置圖片

3 分析與討論

結(jié)合CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的單粒子效應(yīng)與其它集成電路(如SDRAM、A/D等)的單粒子效應(yīng)具有明顯的區(qū)別[4]。在針對(duì)圖像傳感器移位寄存器的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定幾乎是同時(shí)發(fā)生的，在其它區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象。表1給出了CMOS圖像傳感器單粒子效應(yīng)敏感性數(shù)據(jù)分析。從表1中可以看出，就傳感器移位寄存器而言，不同位置的單粒子效應(yīng)敏感性差別較大，在位置4區(qū)域，發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值僅為1.74 nJ，而在位置9，當(dāng)脈沖激光能量達(dá)到120 nJ時(shí)，仍未發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定現(xiàn)象；這種差別也許與移位寄存器的行列構(gòu)成差別有關(guān)，從1.2節(jié)知道，在列寄存器前端存在著列電荷放大器，也許最敏感的位置4區(qū)域就是列電荷放大器區(qū)域。鎖定電流測(cè)試數(shù)據(jù)也表明，不同位置發(fā)生鎖定后的電流大小不同，最小電流為55 mA，最大電流達(dá)到230 mA。在器件的輸出和輸入端BUFFER區(qū)域，單粒子效應(yīng)的敏感性差別不是很大。在CMOS圖像傳感器的其它區(qū)域，也發(fā)現(xiàn)了單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定現(xiàn)象。

表1 CMOS圖像傳感器單粒子效應(yīng)敏感性

在實(shí)驗(yàn)研究中，針對(duì)CMOS圖像傳感器中的移位寄存器開(kāi)展單粒子效應(yīng)加固設(shè)計(jì)措施有效性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用波長(zhǎng)為1 079 nm的脈沖激光，獲得圖像傳感器中移位寄存器，BUFFER區(qū)的單粒子效應(yīng)特征參數(shù)，主要包括發(fā)生單粒子效應(yīng)的脈沖激光能量閾值、鎖定電流大小及達(dá)到的未發(fā)生單粒子效應(yīng)的最大激光能量值等。在CMOS圖像傳感器試驗(yàn)樣品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用對(duì)單粒子鎖定有一定防護(hù)作用的保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)方式[5]，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，單粒子鎖定防護(hù)的保護(hù)環(huán)設(shè)計(jì)是有效的。當(dāng)脈沖激光能量從約20 nJ增加到約140 nJ時(shí)，均未觀測(cè)到單粒子鎖定的發(fā)生。當(dāng)脈沖激光束能量穩(wěn)定在50 nJ左右時(shí)，對(duì)加固器件的不同部位進(jìn)行掃描照射，均未觀測(cè)到單粒子鎖定發(fā)生。依據(jù)脈沖激光能量等效重離子LET值的計(jì)算方法[6]，考慮到器件結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖激光能量調(diào)制和屏蔽，則50 nJ脈沖激光能量約等效重離子LET值為115.0 MeV·cm2/mg。非加固器件的比較實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)脈沖激光能量達(dá)到11.9 nJ(等效重離子LET約27.4 MeV·cm2/mg)時(shí)，器件發(fā)生了單粒子鎖定，從另一方面說(shuō)明了加固設(shè)計(jì)措施的有效性。

4 結(jié)論

脈沖激光模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CMOS圖像傳感器APS器件在空間輻射環(huán)境中會(huì)誘發(fā)兩種主要單粒子效應(yīng)現(xiàn)象,既單粒子翻轉(zhuǎn)(SEU)和單粒子鎖定(SEL)，實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了CMOS圖像傳感器APS器件抗單粒子鎖定設(shè)計(jì)措施的有效性。在針對(duì)圖像傳感器移位寄存器的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定幾乎是同時(shí)發(fā)生的，在其他區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了CMOS圖像傳感器發(fā)生單粒子效應(yīng)的主要特點(diǎn)，同時(shí),也確定了器件發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的脈沖激光能量閾值, 獲得了器件發(fā)生鎖定時(shí)的電流大小。在不同部件、同一部件的不同位置，CMOS圖像傳感器發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)和單粒子鎖定的能量閾值不同。就CMOS圖像傳感器單粒子效應(yīng)敏感性而言，在列寄存器區(qū)域最易發(fā)生單粒子效應(yīng)，這是由于其前端存在著列電荷放大器的原因所致。比較實(shí)驗(yàn)表明,CMOS圖像傳感器的單粒子鎖定保護(hù)環(huán)加固設(shè)計(jì)是有效的。

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