安 恒 楊生勝 苗育君 薛玉雄 曹 洲 王 俊 張晨光

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室 蘭州 730000）

CMOS APS光電器件單粒子效應(yīng)電荷收集特性仿真分析

安 恒 楊生勝 苗育君 薛玉雄 曹 洲 王 俊 張晨光

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室 蘭州 730000）

衛(wèi)星在軌飛行期間，星載電子器件將不可避免地遭受空間帶電粒子的輻射，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子器件的單粒子效應(yīng)敏感性越來越高，已經(jīng)成為一個影響其可靠性的重要因素?；パa金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor Active Pixel Sensor, CMOS APS)光電器件因其低功耗、小體積和微重量的優(yōu)點已成為遙感衛(wèi)星成像的重要發(fā)展方向。為獲取CMOS APS光電器件在遭受帶電粒子輻射后性能變化的特征，在分析SOI MOSFET (Silicon on Insulator Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上，通過理論分析和數(shù)值模擬，分析了重離子在CMOS APS光電器件中引起的輻射損傷，分析晶體管和光電二極管的電荷收集機理。通過TCAD (Technology Computer Aided Design)模擬了電荷收集過程，分析了影響漏電流變化的直接因素，獲得了重離子LET (Linear Energy Transition)值、入射位置以及器件偏置電壓與漏電流的相互關(guān)系，為后續(xù)CMOS APS的重離子模擬試驗以及抗輻射加固設(shè)計提供了理論支撐。

互補金屬氧化物半導(dǎo)體，單粒子效應(yīng)，電荷收集，TCAD仿真

隨著對地觀測衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星對高分辨率需求的不斷提高，以及微型衛(wèi)星的不斷發(fā)展，空間成像系統(tǒng)越來越多地使用高集成度的新型有源像素傳感器(Active Pixel Sensor, APS)[1-3]?；パa金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS) APS光電器件因其低功耗、小體積和微重量等特點而被重點研究，成為衛(wèi)星成像的新型器件。

然而，APS光電器件也有不足之處，最典型的就是空間輻射環(huán)境下出現(xiàn)的不同程度的損傷，其中，嚴(yán)重的會直接影響衛(wèi)星成像系統(tǒng)，尤其是遭受粒子撞擊時，衛(wèi)星的姿態(tài)控制、遙感成像等會受到直接的影響。

隨著CMOS工藝的不斷完善，APS圖像傳感器在系統(tǒng)功耗、體積、重量、成本、功能性、抗輻射性能以及可靠性等方面所具有的優(yōu)勢更加突出，使得其作為成像及探測器件在衛(wèi)星光通信、空間遙感以及天文觀測等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。我國未來遙感衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星以及高分辨率對地觀測衛(wèi)星將大量應(yīng)用集成度高的APS圖像傳感器。這些新型光電器件的大量使用使空間輻射效應(yīng)的影響更加突出，特別地，這些光電器件有著集成度高、特征尺寸小且工作電壓低的特點，所以它們對單粒子效應(yīng)會非常敏感，這會嚴(yán)重影響衛(wèi)星的成像性能[4-5]。隨著后續(xù)衛(wèi)星壽命的普遍延長，對于星載成像系統(tǒng)來說，單粒子效應(yīng)引起的危害已成為光電器件抗輻射研究的重點方向之一。

1 CMOS APS光電器件特性及單粒子效應(yīng)分析

1.1 CMOS APS光電器件特性

晶體管和光電二極管是CMOS APS的基本組成單元。CMOS APS的典型結(jié)構(gòu)框如圖1所示。圖1中，不同功能模塊均由上述兩種基本單元所組成。

圖1 典型CMOS APS光電器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of CMOS APS.

其中，由APS陣列實現(xiàn)圖像感知，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；外圍電路由模擬信號處理、控制寄存器以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter, ADC)構(gòu)成，它們用來實現(xiàn)對光電器件的控制和模數(shù)信號的處理。在試驗中，選用典型的高分辨率、低功耗、體積小的Micro MT9T001C12STC CMOS APS光電器件，該器件具有2048×1536個像素點、10 bit分辨率。

1.2 CMOS APS光電器件單粒子效應(yīng)分析

在重離子輻照環(huán)境下，CMOS APS的電學(xué)特性將會受到影響。對于晶體管，重離子輻照會引起其氧化層和硅層的電離。其中，氧化層的電離能產(chǎn)生電子-空穴對，這會使溝道的漏電流增大。同樣地，硅層中的電離也會產(chǎn)生電子-空穴對，這些電子-空穴對會被敏感節(jié)點捕獲而引起節(jié)點邏輯狀態(tài)的改變。對于光電二極管來說，硅層中電離所產(chǎn)生的電子-空穴對會導(dǎo)致CMOS APS暗電流顯著增大。如此單個晶體管和光電二極管電學(xué)和光學(xué)性能的變化將會影響像素點的電學(xué)性能和光學(xué)特性，且對應(yīng)于單個像素點變化的不斷累積，CMOS APS的輸出會表現(xiàn)出單粒子效應(yīng)現(xiàn)象[6-8]。

可知，CMOS APS光電器件單粒子效應(yīng)主要包括光敏像元陣列的單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient, SET)、單粒子翻轉(zhuǎn)(Single Event Upset, SEU)和單粒子鎖定(Single Event Latch, SEL)效應(yīng)，且像素陣列的單粒子瞬態(tài)經(jīng)外圍電路傳播后，在器件數(shù)據(jù)端口也表現(xiàn)為邏輯狀態(tài)的變化。

2 重離子輻射模型

為進(jìn)一步分析APS光電器件單粒子效應(yīng)規(guī)律的特點，利用TCAD (Technology Computer Aided Design)模擬仿真的手段分析了單粒子效應(yīng)對APS光電器件晶體管瞬態(tài)電流的影響[9-11]。

模擬仿真采用TCAD工藝及器件仿真軟件進(jìn)行。整個流程仿真的過程：首先用MDRAW工具繪制APS器件晶體管的三維結(jié)構(gòu)形狀，并優(yōu)化器件網(wǎng)格和離子摻雜濃度。對高電流密度、高電場以及高電荷密度的區(qū)域要逐步進(jìn)行細(xì)化。然后在DESSIS中根據(jù)器件結(jié)構(gòu)設(shè)置需要的物理模型和參數(shù)并對器件的電學(xué)特性進(jìn)行仿真。仿真過程中，首先忽略產(chǎn)生、復(fù)合項，求出穩(wěn)態(tài)解；在此基礎(chǔ)上引入單粒子效應(yīng)求得瞬態(tài)解，從而得到粒子注入后的電流脈沖及電壓隨時間的變化趨勢；最后利用Tecplot給出仿真結(jié)果，并直觀顯示其電學(xué)特性的變化。

重離子的入射過程可以用圖2所示的模型來表示，圖2中，將重離子入射的過程抽象為以粒子入射徑跡為軸的等離子圓柱體。

圖2 重離子入射仿真模型Fig.2 Simulation model of incidence for heavy ions.

利用ISE (Integrated System Enginerring)仿真粒子入射效應(yīng)時采用DESSIS中的HeavyIon模塊。粒子入射過程中，過剩載流子的產(chǎn)生率為：

如果lmax＞1（lmax是入射粒子的徑跡長度），則G(l,w,t)=0；LET (Linear Energy Transition)為采用每單位長度上的電荷沉積量，pC·μm-1。

如果lmax≤1，R(w,l)是產(chǎn)生率的空間變量；T(t)是產(chǎn)生率的時間變量；GLET(l)是線性能量傳輸產(chǎn)生密度，它決定于粒子的類型、能量、射程。R(w,l)采用高斯分布[12]，公式如下：

式中：w表示粒子轟擊到器件上入射軌跡的半徑大??；wt(l)表示半徑的特征值。

仿真時假設(shè)粒子轟擊到器件后的入射軌跡是等離子圓柱體，以模仿粒子的入射情況。對于單粒子效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴，它們遵從高斯徑向載流子分布，且在時間上也遵從高斯分布[12]，其表達(dá)式如下：

式中：tp是出現(xiàn)脈沖峰值的時間；Shi表示入射粒子的脈沖寬度，erf為高斯誤差函數(shù)。

3 電荷收集特性仿真結(jié)果分析

仿真過程中，結(jié)合器件結(jié)構(gòu)特點，溝道長度0.18μm，柵極氧化層厚度4 nm，多晶硅厚度150nm。重離子輻照光電器件時，重離子LET值、粒子入射位置以及器件的偏置電壓會影響瞬態(tài)電流的變化，因此，在仿真分析中，從重離子LET值、粒子入射位置以及器件的偏置電壓三個方面分析其對漏電流的影響。

3.1 LET值對晶體管漏電流的影響

試驗中，設(shè)高能粒子垂直注入到NMOS (N-Metal-Oxide-Semiconductor)場效應(yīng)管的漏區(qū)點(0.8,0)，粒子注入后，入射軌跡上所產(chǎn)生的電離電荷在空間特征半徑為0.1 μm的高斯分布，在時間上則為10 ps的高斯分布。采用圖3(a)的電路連接方式，其中，外接電壓值為2 V。

試驗中，假設(shè)高能粒子垂直入射到NMOS場效應(yīng)管的漏區(qū)。注入后，在其軌跡上產(chǎn)生的電離電荷，在空間分布上滿足特征半徑0.1 μm的高斯分布。仿真時采用圖3所示的連接方式，外接電壓2 V。在不同LET值粒子入射情況下，漏電流隨時間變化的仿真結(jié)果如圖4所示。不同LET值所對應(yīng)著不同的峰值電流。LET值越大，峰值電流也就越大，但不同LET值所對應(yīng)的電流的曲線形狀是一致的。具體在粒子開始入射時漏電流迅速增大，這由入射粒子在軌跡上所產(chǎn)生的電子空穴對增多而引起，且LET值越大，產(chǎn)生的電子空穴對就越多。這些電子空穴對一部分被漏極收集產(chǎn)生了急劇上升的電流。隨后，由于雙極放大效應(yīng)和自身的擴散作用，電流開始緩慢下降。

圖3 重離子入射時的仿真電路連接方式 (a) 柵極接地，(b) 柵極、源極接地，(c) 漏極接電阻Fig.3 Circuits of simulation of incidence for heavy ions. (a) Gate to ground, (b) Gate and source to ground, (c) Drain to resistance

圖4 不同LET值下漏電流隨時間變化Fig.4 Leakage current variation with time under different LET.

3.2 入射位置對晶體管漏電流的影響

粒子入射的位置不同，它產(chǎn)生電流的峰值和脈寬就不同，這是因為對于不同的入射位置，在總的收集到的電荷中，由漂移和擴散所得到的電荷的比例不同。試驗中，設(shè)高能粒子垂直入射到NMOS中，入射能量為0.1 pC·m-1，粒子注入后，入射軌跡上產(chǎn)生的電離電荷空間上為特征半徑為0.1 μm的高斯分布，時間上為10 ps的高斯分布。采用圖3(a)的電路連接方式，外接電壓值為2 V。對于高能粒子入射不同的位置，即從源極到漏極，仿真得到的漏電流隨時間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同入射位置漏電流變化趨勢Fig.5 Leakage current variation with time under different incidence positions.

可以看出，當(dāng)高能粒子入射到漏結(jié)（對應(yīng)的入射位置遠(yuǎn)離源極而靠近漏極，為0.75-0.85 μm）時，峰值電流較大，這是由于在外加電場的作用下，漏極耗盡層電場強度較大，對應(yīng)的漂移作用強而引起的，此時器件的敏感區(qū)集中在漏結(jié)位置。相反當(dāng)粒子入射到其他位置時，電場強度較弱，擴散電流是主要作用，呈現(xiàn)出電流較弱的趨勢。

3.3 電壓對晶體管漏電流的影響

在不同的外接電壓值下，單粒子瞬態(tài)(Single Event Transient, SET)產(chǎn)生的電流的峰值和脈沖寬度可能會不同。為了探究外加電壓值對SET的影響，實驗中，設(shè)高能粒子垂直入射到NMOS場效應(yīng)管中，入射能量為0.1 pC·m-1，粒子注入后，入射軌跡上產(chǎn)生的電離電荷空間上為特征半徑為0.1 μm的高斯分布，時間上為10 ps的高斯分布。采用圖3(a)的電路連接方式，試驗中實驗將外接電壓從1 V增加到4 V。對于不同的外接電壓，仿真得到漏極電流隨時間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 外接電壓不同時漏電流隨時間變化曲線Fig.6 Leakage current variation with time under different voltages.

從圖6可看出，當(dāng)外接電壓較小時，收集的電荷就較少，對應(yīng)漏電流峰值也較小，反之，外接電壓較大會引起漏電流峰值較大，這是由于耗盡層的寬度會因外接電壓的增大而加寬。當(dāng)耗盡層被中和以后，加在其上的電壓就會被轉(zhuǎn)移到體區(qū)。由于漏斗效應(yīng)的作用，電場越強時，收集的電荷就會越多，從而導(dǎo)致電流越大。

4 結(jié)語

從仿真分析結(jié)果可看出，重離子入射時，起初電流迅速增大，這由入射粒子在軌跡上所產(chǎn)生的電子空穴對增多而引起；隨后電流的緩慢下降則來源于載流子的擴散作用。入射粒子LET值越大，導(dǎo)致漏電流脈沖的峰值和脈寬也越大；同時粒子入射位置不同會影響漏電流的大小。另外，偏置電壓也會影響漏電流大小。通過仿真分析得到的APS光電器件單粒子效應(yīng)規(guī)律特點，為后續(xù)建立CMOS APS光電器件的單粒子效應(yīng)測試方法提供了理論依據(jù)，也為CMOS APS光電器件的抗輻射加固設(shè)計提供了理論支持。

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Simulation of characteristic of charge collecting for CMOS APS with single event effects

AN Heng YANG Shengsheng MIAO Yujun XUE Yuxiong CAO Zhou WANG Jun ZHANG Chenguang

(Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

Background: Complementary metal oxide semiconductor active pixel sensor (CMOS APS) with less energy consumption, small volume and less weight is already a major development direction of imaging for remote sensing satellites. During the satellites flying on orbit, electron devices are exposed in space radiation, and degraded by space charged particles. Along with the improvement of semiconductor technology, sensibility of single event effect is more obvious, and is a key factor of reliability. Purpose：This study aims to obtain the characteristics of CMOS APS subjected to charged particles. Methods: Based on analysis of structure and characteristic of silicon on insulator metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (SOI MOSFET), radiation damage of CMOS APS irradiated by heavy ions is discussed using the method of theoretical analysis and numerical simulation. And charge collect mechanism of the transistor and photodiode is also analyzed. Results: The procedure of charge collecting is simulated by technology computer aided design (TCAD), and obtained the relationship between the leakage current and linear energy transition (LET), incidence position of heavy ion, offset voltage. Conclusion: The result could beused for CMOS APS’s single event effect and also provide theoretical guide for the design of radiation hardening.

AN Heng, male, born in 1982, graduated from Shandong University with a master’s degree in 2010, focusing on space radiation effect and

date: 2017-02-21, accepted date: 2017-04-11

CMOS APS, Single event effects, Charge collection, TCAD simulation

TL99

10.11889/j.0253-3219.2017.hjs.40.070502

國家自然科學(xué)基金(No.11375078)資助

安恒，男，1982年出生，2010年于山東大學(xué)獲碩士學(xué)位，研究領(lǐng)域為空間輻射效應(yīng)及新型有效載荷技術(shù)

2017-02-21，

2017-04-11

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11375078)

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