不同注量率質(zhì)子輻照對(duì)CCD參數(shù) 退化的影響分析

李豫東， 文 林， 郭 旗， 何承發(fā)，周 東， 馮 婕， 張興堯， 于 新

(1. 中國(guó)科學(xué)院 特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830011; 2. 新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 烏魯木齊 830011; 3. 中國(guó)科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所， 烏魯木齊 830011)

電荷耦合器件(charge coupled device, CCD)是空間科學(xué)探測(cè)應(yīng)用主要的圖像傳感器之一[1-3]，在空間輻射環(huán)境中，其性能易受各種射線粒子輻射的影響?？臻g輻射環(huán)境中質(zhì)子是注量率最大的射線粒子，它對(duì)CCD暗信號(hào)、電荷轉(zhuǎn)移效率等參數(shù)的退化影響較大[4-7]。這些參數(shù)的退化與入射質(zhì)子在CCD內(nèi)產(chǎn)生的缺陷類型及缺陷能級(jí)密切相關(guān)。Hopkinson等研究表明：電離損傷缺陷會(huì)導(dǎo)致CCD表面暗信號(hào)增加，位移損傷缺陷會(huì)導(dǎo)致CCD體暗信號(hào)增加和電荷轉(zhuǎn)移效率下降[8-11]。CCD暗信號(hào)增加和電荷轉(zhuǎn)移效率下降程度與退化機(jī)理、缺陷類型、產(chǎn)生位置及數(shù)量有關(guān)。同時(shí)，質(zhì)子輻射產(chǎn)生損傷缺陷的分布也隨質(zhì)子能量、注量和CCD芯片部位的不同而變化。目前，國(guó)內(nèi)外已開展大量CCD質(zhì)子輻照效應(yīng)研究[2-3,8-11]，但對(duì)不同注量率質(zhì)子輻照下，CCD產(chǎn)生的損傷缺陷之間的差異鮮有報(bào)道。因此，研究不同注量率下質(zhì)子輻照產(chǎn)生的缺陷與CCD參數(shù)退化之間的關(guān)系，對(duì)深入理解CCD的質(zhì)子輻照效應(yīng)規(guī)律、損傷機(jī)理、參數(shù)退化評(píng)估及預(yù)測(cè)模型的建立方法具有重要意義[12]。根據(jù)高能粒子與材料相互作用機(jī)理，能量低于10 MeV的質(zhì)子在CCD內(nèi)產(chǎn)生的輻射損傷缺陷主要有磷-空位(E中心)和氧-空位(A中心)，不同注量率的質(zhì)子輻照可能產(chǎn)生不同的缺陷類型。由于E中心和A中心都會(huì)導(dǎo)致CCD的性能退化，但只有E中心會(huì)導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移效率退化。本文對(duì)一款CCD進(jìn)行不同注量率質(zhì)子輻照試驗(yàn)及輻照后的退火試驗(yàn)，測(cè)試了CCD的參數(shù)退化情況，研究結(jié)果可為建立質(zhì)子輻照試驗(yàn)方法和評(píng)估技術(shù)提供理論參考。

1 輻照實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測(cè)試

質(zhì)子輻照CCD實(shí)驗(yàn)在北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的2×6 MeV串列加速器上進(jìn)行，樣品為2只64元×64元幀轉(zhuǎn)移面陣CCD，采用質(zhì)子能量為3 MeV，質(zhì)子輻照注量率分別為6.5×107，0.921×107cm-2·s-1。輻照時(shí)，CCD采用零偏置狀態(tài)，CCD所有管腳短接并接地。樣品編號(hào)、質(zhì)子能量、質(zhì)子注量率及輻照總注量如表1所列。

表1 CCD質(zhì)子輻照試驗(yàn)條件Tab.1 Irradiation test conditions of CCD

在輻照前及質(zhì)子注量分別為1.45×1010， 3.67×1010， 5.12×1010， 7.34×1010cm-2時(shí)對(duì)CCD進(jìn)行了離線測(cè)試，主要測(cè)試了CCD器件對(duì)質(zhì)子輻射效應(yīng)最敏感的參數(shù)——暗信號(hào)和電荷轉(zhuǎn)移效率。輻照后，對(duì)2只CCD器件分別在退火溫度為室溫23 ℃，退火時(shí)間分別為1，9，12，16，16.7 h 下進(jìn)行了CCD參數(shù)測(cè)試。 CCD器件采用電偏置為零偏置狀態(tài)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 質(zhì)子輻照導(dǎo)致的CCD參數(shù)退化

CCD作為典型的可見光圖像傳感器，用于光電信號(hào)的產(chǎn)生和檢測(cè)輸出。信號(hào)從產(chǎn)生到輸出主要經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換與收集、電荷轉(zhuǎn)移和信號(hào)檢測(cè)與輸出3個(gè)過(guò)程。在這3個(gè)過(guò)程中，CCD會(huì)產(chǎn)生暗場(chǎng)下的熱激發(fā)噪聲、光子散粒噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲和輸出放大器與輸出級(jí)復(fù)位電路噪聲，這些噪聲會(huì)增加CCD的暗信號(hào)，影響器件的探測(cè)靈敏度、信噪比和動(dòng)態(tài)范圍。圖1為2種注量率下質(zhì)子輻照CCD時(shí)，CCD產(chǎn)生的暗信號(hào)隨質(zhì)子注量增加的退化情況。從圖中可以看出，利用不同質(zhì)子注量率輻照的2只CCD，在輻照期間，2#產(chǎn)生的暗信號(hào)高于6#，但隨輻照注量的增加，二者產(chǎn)生的暗信號(hào)退化差距縮小。當(dāng)質(zhì)子累積注量為7.34×1010cm-2時(shí)，2#和6#CCD 輻照后產(chǎn)生的暗信號(hào)退化情況幾乎相同。

圖1 CCD暗信號(hào)隨質(zhì)子注量增加的變化Fig.1 CCD dark signal vs. proton fluences

電荷轉(zhuǎn)移效率(charge transfer efficiency, CTE)是評(píng)價(jià)CCD圖像質(zhì)量的重要指標(biāo)。CTE是指CCD像素內(nèi)收集到的光信號(hào)在轉(zhuǎn)移柵下依次傳輸?shù)綑z測(cè)輸出電路的過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)移溝道內(nèi)缺陷的俘獲作用，導(dǎo)致信號(hào)電荷包內(nèi)部分電荷輸出延遲，有效像素的光信號(hào)出現(xiàn)損失，檢測(cè)到的信號(hào)電荷比光電轉(zhuǎn)換獲得的信號(hào)電荷少，檢測(cè)到的信號(hào)電荷與光電轉(zhuǎn)換獲得的信號(hào)電荷之比稱為電荷轉(zhuǎn)移效率ηCTE：

(1)

式中，Nd為垂直轉(zhuǎn)移第一拖尾行像素的總電荷量;NLc為垂直轉(zhuǎn)移幀信號(hào)中最后一行有效像素的總電荷量;Np為CCD轉(zhuǎn)移的單元數(shù)乘以轉(zhuǎn)移時(shí)鐘相數(shù)。質(zhì)子輻照同時(shí)產(chǎn)生電離總劑量效應(yīng)和位移損傷效應(yīng)，CCD轉(zhuǎn)移溝道內(nèi)的位移損傷缺陷分布在Si帶隙內(nèi)不同的能級(jí)上，CTE主要受導(dǎo)帶底附近缺陷能級(jí)的影響，該缺陷與信號(hào)電荷相互作用，通過(guò)俘獲-發(fā)射信號(hào)電荷的過(guò)程，導(dǎo)致CTE下降。圖2是質(zhì)子輻照期間，CTE隨質(zhì)子注量的變化曲線。

圖2 CTE隨質(zhì)子注量的變化Fig.2 Charge transfer efficiencies of CCD vs. proton fluences

從圖2可以看出，隨著質(zhì)子輻照注量的增加，6#CCD相對(duì)2#CCD，CTE退化較小，當(dāng)質(zhì)子累積注量為7.34×1010cm-2時(shí)，2#CCD的CTE退化情況高于6#CCD。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析可以看出，隨著質(zhì)子注量的增加，CCD的暗信號(hào)逐漸增加，CTE逐漸下降。對(duì)于采用2種注量率6.5×107，0.921×107cm-2·s-1輻照的CCD，較小注量率輻照的6#器件產(chǎn)生的暗信號(hào)和CTE退化較小，但當(dāng)輻照注量達(dá)7.34×1010cm-2時(shí)，6#CCD的暗信號(hào)和CTE的退化率高于2#CCD。暗信號(hào)和CTE在質(zhì)子輻照期間的退化情況表明，導(dǎo)致二者退化的位移損傷缺陷的產(chǎn)生率是一致的。由于暗信號(hào)產(chǎn)生的位移損傷缺陷主要是能級(jí)接近Si禁帶中央的產(chǎn)生中心，主要是E中心，CTE退化的主要位移損傷缺陷也是E中心，但同時(shí)CTE退化還受A中心的影響。在質(zhì)子輻照注量達(dá)到7.34×1010cm-2時(shí)，2個(gè)CCD的暗信號(hào)和CTE的退化出現(xiàn)較小的差異，這說(shuō)明：不同的注量率輻照可能產(chǎn)生不同的A中心分布結(jié)果。這是不同注量率條件下，質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD參數(shù)退化產(chǎn)生差異的主要原因。

2.2 室溫退火期間CCD的參數(shù)變化

圖3和圖4是質(zhì)子輻照后，CCD的暗信號(hào)和CTE隨室溫退火時(shí)間變化情況。從圖中可以看出，不同質(zhì)子注量率輻照后的器件，室溫退火期間的參數(shù)變化趨勢(shì)保持一致，且隨著退火時(shí)間的增加，質(zhì)子注量率不同帶來(lái)的參數(shù)退化差異逐漸減小，甚至完全相等。由于質(zhì)子輻照產(chǎn)生的位移損傷缺陷E中心和A中心的退火溫度分別為150 ℃和350 ℃，遠(yuǎn)高于室溫23 ℃，E中心和A中心均未發(fā)生退火，不會(huì)導(dǎo)致CCD的參數(shù)恢復(fù)，因此參數(shù)恢復(fù)主要是由于電離損傷缺陷的退火所致。

圖3 CCD的暗信號(hào)隨室溫退火時(shí)間的變化Fig.3 Dark signal of CCD vs. room temperature annealing

圖4 CCD的CTE隨退火時(shí)間的變化Fig.4 CTE of CCD vs. room temperature annealing

分析進(jìn)一步表明：質(zhì)子輻照產(chǎn)生的位移損傷缺陷分布在不同注量率下存在差異，但這些差異對(duì)CCD的暗信號(hào)和CTE等關(guān)鍵參數(shù)的退化沒有明顯影響，且隨著質(zhì)子輻照注量的累積和室溫退火時(shí)間增加，注量率差異導(dǎo)致的CCD參數(shù)退化差異逐漸消失。

3 結(jié)論

質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中注量率最大的射線粒子，其產(chǎn)生的輻射效應(yīng)導(dǎo)致應(yīng)用于空間的CCD出現(xiàn)參數(shù)退化。由于質(zhì)子輻照產(chǎn)生的位移損傷缺陷性質(zhì)與質(zhì)子能量、注量率和注量等條件相關(guān)，本文通過(guò)采用不同注量率、相同能量的質(zhì)子輻照同型號(hào)CCD，在分析CCD參數(shù)退化情況的基礎(chǔ)上，研究了質(zhì)子注量率差異導(dǎo)致的位移損傷缺陷分布的差異。研究表明，由于質(zhì)子注量率不同，質(zhì)子輻照CCD的暗信號(hào)和電荷轉(zhuǎn)移效率等參數(shù)的退化程度呈現(xiàn)一定的差異，但參數(shù)退化的差異隨著質(zhì)子輻照注量的增加和室溫退火時(shí)間增加逐漸消失。因此，從實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析的結(jié)果可知，質(zhì)子注量率差異導(dǎo)致的CCD參數(shù)退化的不同可以忽略。由于本文采用的2種質(zhì)子注量率相差約7倍，與空間、地面模擬試驗(yàn)條件之間的差異相比仍存在很大差距，因此，本文結(jié)果需要在實(shí)驗(yàn)條件差異更大的情況下進(jìn)一步驗(yàn)證。

[1]NAGAE T. Solid-state imaging device and CCD linear sensor, US 20050247857[P]. 2005-11-10.

[2]HARDY T, MUROWINSKI R, DEEN M J. Charge transfer efficiency in proton damaged CCD’s[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 1998, 45(2):154-163.

[3]LO D H, SROUR J R. Modeling of proton-induced CCD degradation in the Chandra X-ray observatory[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2003, 50(6): 2 018-2 023.

[4]MERABTINE N, BENSLAMA M, BENSLAMA A, et al. Radiation effects on electronic circuits in a spatial environment[J]. Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics, 2004, 80(4): 395-399.

[5]FAILLA O, MARIANI L, BRANCADORO L, et al. Spatial distribution of solar radiation and its effects on vine phenology and grape ripening in an alpine environment[J]. American Journal of Enology & Viticulture, 2004, 55(2): 128-138.

[6]STASSINOPOULOS E G, RAYMOND J P. Space radiation environment for electronics[J]. Proc IEEE, 1988, 76(11): 1 423-1 442.

[7]FOK M C, HORNE R B, MEREDITH N P, et al. Radiation belt environment model: Application to space weather nowcasting[J]. J Geophys Res, 2008, 113(A3): 405-418.

[8]HOPKINSON G R. Proton-induced CCD charge transfer degradation at low-operating temperatures[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2001, 48(6): 1 790-1 795.

[9] 文林, 李豫東, 郭旗, 等. 質(zhì)子輻照導(dǎo)致科學(xué)級(jí)電荷耦合器件電離效應(yīng)和位移效應(yīng)分析[J]. 物理學(xué)報(bào), 2015, 64(2): 024220. (WEN Lin, LI Yu-dong, GUO Qi, et al. Analysis of ionizing and department damage mechanism in proton-irradiation-induced scientific charge-coupled device[J]. Acta Phys Sin, 2015, 64(2): 024220.)

[10] HIRAGA J, TSUNEMI H, MIYATA E. Which part of the pixel is sensitive against the proton onto the CCD?[C]//Pro SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2003, 4 851: 105-118.

[11] GERMANICUS R, BARDE S, DUSSEAU L, et al. Evaluation and prediction of the degradation of a COTS CCD induced by displacement damage[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2002, 49(6): 2 830-2 835.

[12] 陳偉, 郭曉強(qiáng), 姚志斌, 等. 空間輻射效應(yīng)地面模擬等效的關(guān)鍵基礎(chǔ)問題[J]. 現(xiàn)代應(yīng)用物理，2017, 8(2): 020101.(CHEN Wei, GUO Xiaoqiang, YAO Zhibin, et al. Key basic issues equivalent ground simulation of space radiation effects[J]. Modern Applied Physics, 2017, 8(2): 020101.