硅基CCD不均勻性測試

2016-06-21 07:02:28國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心張雄娥

電子世界 2016年11期

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心張雄娥

硅基CCD不均勻性測試

國家知識產權局專利局專利審查協作廣東中心張雄娥

【摘要】本文從理論上分析了硅基CCD（電荷耦合器件）不均勻性的原因，并給出了一種硅基CCD不均勻性的測試方法，實驗驗證該方法可行。實驗中的硅基CCD光電響應偏差率在±1%以內。

【關鍵詞】硅基；CCD；不均勻性；光電特性；測試

0 引言

CCD作為一種光電轉換半導體器件，在工業控制、工業檢測、計量檢測等精密測量領域有著廣泛的應用。隨著測量的精度要求不斷提高，CCD的非均勻性成了不可忽視的問題。CCD的非均勻性是指在相同照度下，CCD的各個感光單元的輸出信號不一致，不均勻性表現為CCD暗電流的非均勻性和光電轉換的非均勻性。不均勻性產生的原因很多，首先，光電材料光吸收系數、反射系數存在差異，另外，受工藝、加工制造的影響，溝道摻雜度不一致，再者，光刻精度有限導致感光面積、柵氧化物厚度等尺寸不相同。在幾何量測量中，這種非均勻性會對關鍵的脈沖邊緣信號產生影響，從而影響邊界位置的定位。如果能對CCD的不均勻性給出定量描述，則可還原出較為準確的邊緣信號。

1 CCD不均勻性的產生

硅基CCD采用MOS（金屬-氧化物-半導體）結構，MOS結構的形成過程如下：在p型Si襯底表面上通過氧化生成一層厚度約為1000?～1500?的SiO2，再在SiO2表面蒸鍍一金屬層。光子進入p型Si襯底時產生的電子躍遷形成電子-空穴對，電子-空穴對在外加電場的作用下分別向電極的兩端移動，從而形成信號電荷。

硅基CCD存在暗電流，暗電流的產生有很多原因，可由載流子擴散產生，硅晶表面或內部缺憾產生。如果硅襯底存在晶格缺陷或者金屬離子污染，造成襯底發熱，產生暗電流。另外CCD的柵介質為SiO2/Si3N4復合柵介質，在Si-SiO2界面，由于晶格周期性排列的失配，形成了硅的懸掛鍵，形成復合-產生中心，即界面態，界面態產生的電子被勢阱收集并成為暗電流。

因此，沒有光照情況下，暗電流依然存在，暗電流的大小隨材料、尺寸、溫度的不同而產生差異。

CCD光電響應率不一致也是導致CCD不均勻性的重要因素，即在相同照度下，CCD的各個感光單元的輸出信號不一致。CCD感光單元的光電轉換關系可用下式表示。

量子效率和感光面積的不均勻直接影響CCD各個感光單元的的光電響應的一致性。量子效率受多方面因素影響，包括材料厚度、感光面光反射率等，受生產工藝的限制，這些參數難以保持一致。

2 CCD不均勻性測試原理

在測試硅基CCD不均勻性的過程中，必須保證CCD驅動頻率、環境溫度、積分時間不變。

測試采用遠心平行光源以及雙遠心鏡頭，遠心平行光源提供均勻的平行光源，雙遠心鏡頭與遠心光源平行放置，CCD置于雙遠心鏡頭的焦平面上，雙遠心鏡頭接收平行光并將光聚集投射在CCD靶面上。遠心平行光源光照均勻，雙遠心鏡頭的特點是，平行進入鏡頭的光線，最終也會平行射出，景深大，無視差，幾乎零畸變，因此最終投射到CCD上的光仍是平行光，且光源均勻性幾乎不變。

通過遠心平行光源和雙遠心鏡頭配合使用，可保證各個CCD感光單元的受到同等入射光照射，采集CCD輸出即可獲取不均勻性數據。另外，通過在光源與鏡頭上添加不同工作頻率的濾波片，即可測試CCD在不同光頻率下的光電響應率。遠心平行光源由精密可調直流電源供電，通過調整遠心平行光源光強，可測試CCD在不同光強下的光電響應率。

3 測量實驗

選用遠心平行光源、雙遠心鏡頭搭建實驗平臺，濾光片綠色：525nm±10nm，檢測線陣硅基CCD東芝TCD2964，CCD驅動電路將CCD信號輸出。測試環境溫度25℃，曝光時間10ms，驅動頻率1MHz，調節光源強度，記錄CCD輸出信號數據。測試在暗室進行，排除外界雜光干擾。定義CCD各像元的響應率偏差Ki如式（3）。