電荷耦合器件的γ輻照劑量率效應研究

武大猷,文　林,汪朝敏,何承發,郭　旗*,李豫東,曾俊哲,汪　波,劉　元

（1.中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室，新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.重慶光電技術研究所，重慶 400060）

電荷耦合器件的γ輻照劑量率效應研究

武大猷1,2,文林1,汪朝敏3,何承發1,郭旗1*,李豫東1,曾俊哲1,2,汪波1,2,劉元1,2

（1.中國科學院特殊環境功能材料與器件重點實驗室，新疆電子信息材料與器件重點實驗室，中國科學院新疆理化技術研究所，新疆烏魯木齊 830011；2.中國科學院大學，北京 100049； 3.重慶光電技術研究所，重慶 400060）

對電荷耦合器件進行了不同劑量率的γ輻照實驗，通過多種參數的測試探討了劑量率與電荷耦合器件性能退化的關系，并對損傷的物理機理進行分析。輻照和退火結果表明：暗信號和暗信號非均勻性是γ輻照的敏感參數，電荷轉移效率和飽和輸出電壓隨劑量累積有緩慢下降的趨勢；暗場像素灰度值整體抬升，像元之間的差異顯著增加；電荷耦合器件的暗信號增量與劑量率呈負相關性，器件存在潛在的低劑量率損傷增強效應。分析認為，劑量率效應是由界面態和氧化物陷阱電荷競爭導致的。通過電子-空穴對復合模型、質子輸運模型和界面態形成對機理進行了解釋。

電荷耦合器件；暗信號；低劑量率損傷增強效應；暗場像素統計

1 引 言

電荷耦合器件（Charge coupled device，CCD）是一種具有MOS（Metal oxide silicon，MOS）結構的固態光學成像器件［1］，通過柵壓在氧化層下形成轉移勢壘，把耗盡層生成的光生電荷轉移到輸出放大器而輸出電學信號。由于具有體積小、功耗低、動態范圍大和量子效率高等優點，CCD被廣泛應用于衛星的光學成像系統中［2-3］。但是空間輻射環境中高能射線和帶電粒子輻射CCD誘發的電離效應和位移效應，會使器件參數嚴重退化甚至引起功能失效［4-7］，這嚴重降低了器件的成像質量和使用壽命。

空間輻照總劑量的累積需要很長時間，在近地軌道中空間輻射累計總劑量大約是10-3～10-2rad（Si）/年；在中高地球軌道中，空間輻射累計總劑量在1～10 krad（Si）/年，平均輻射劑量率低于10-3rad（Si）/s。為了研究真實太空環境中器件的抗輻射性能及低劑量率輻照下器件的損傷效應，國內外工作者進行了深入的研究。1991年，Enlow［8］首次報道了在線性雙極器件中存在低劑量率增強效應（Enhanced low-dosed rate sensitivity，ELDRS）。在進一步的研究中，Johnston［9］發現PNP晶體管比NPN管在低劑量率下退化得更嚴重，在低劑量率下參數退化可以是高劑量率下的5倍，同時指出在一些具有高缺陷密度的氧化層中可以觀測到明顯的ELDRS。在后續工作中，研究者對ELDRS損傷機理構建了一些物理模型，其中包括：電子、空穴和質子在SiO2中轉移模型，電子空穴的復合效應，SiO2中電子陷阱在有效電場下的俘獲模型，聚合氫原子與界面態的競爭模型等［10］。通過實驗發現，能夠增強ELDRS的因素主要有以下幾種：（1）SiO2中氧空位的濃度和分布；（2）氧化層中氫的濃度、分布和反應；（3）輻照和退火中的溫度和偏壓；（4）器件的鈍化層工藝；（5）輻照前器件施加熱應力或者老化［11-14］。2006年，Witczak［15］首次在文章中報道MOS器件存在劑量率效應。近年來，隨著工藝和隔離技術不斷的改進，人們針對MOS器件的損傷效應展開了深入研究，并用第一性原理計算了物理機理［16］。由于CCD的像素也具有MOS結構，其輻射效應一直是研究的熱點。從上世紀70年代開始，針對其輻射效應的研究已經展開，但直到近年才有文章報道了低劑量率輻照下CCD存在損傷增強［17］，但對產生的機理仍沒有明確的解釋。根據美軍標，實驗室典型的輻照劑量率為50～300 rad（Si）/s，如果CCD存在低劑量率增強效應，則現存的實驗評估方法會高估器件在太空中實際的抗總劑量能力，且隨著CCD像元數的不斷增加，其損傷機理會更加復雜。因此，為了保證實驗評估方法的準確性和可靠性，有必要開展劑量率與CCD參數退化關系的研究，對產生的機理進行深入的分析。

2 實驗樣品及方法

CCD樣品為國產科學級埋溝CCD，圖像采集區像素陣列為64×64光敏單元，存儲區陣列為64×64存儲單元，像元尺寸為48 μm×48 μm，器件柵介質采用復合結構。器件像素單元結構如圖1所示。

輻照和測試分別在新疆理化所鈷源和光電成像器件抗輻射性能檢測設備上完成，實驗中γ劑量率選擇0.1，5，50 rad（Si）/s。實驗過程中的主要測試參數包括器件暗信號、暗信號非均勻性、飽和輸出電壓和電荷轉移效率（CTE）。在每次測試中，保存CCD在暗場下最小積分時間內的raw圖（像元獲得的原始圖像），并對raw圖中的像素灰度值進行統計。以上參數都是通過移位測試得到，且每次測試在0.5 h內完成。

圖1　CCD像素單元結構Fig.1 Pixel structure of CCD

3 結果與討論

3.1電荷轉移效率退化

本受試樣品CCD采用重摻雜N+埋溝工藝，可有效避免界面態對轉移電荷的散射作用，因此電荷轉移效率主要受埋溝中的缺陷影響。埋溝中能級接近導帶中央的缺陷對多子具有陷阱作用，在CCD積分時間內，如果陷阱俘獲光生電荷，且在隨后的轉移時鐘周期內不能及時發射回導帶，將使輸出的電荷數量減少從而使電荷轉移效率退化［18］。CCD在γ劑量率50 rad（Si）/s輻照及輻照結束后的退火實驗如圖2所示。在輻照過程中，電荷轉移效率有所降低；在常溫加電退火實驗中，CTE有適量恢復，但CTE在γ輻照和退火過程中變化微弱，不是γ輻照下的敏感參數。

圖2　CTE隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.2 Variation of CTE of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

3.2飽和輸出電壓退化

飽和輸出電壓是CCD在工作狀態下，其輸出端得到的最大電壓，它主要由耗盡層深度和輸出放大器增益決定［19］。輻照引起飽和輸出電壓的變化如圖3所示。在輻照過程中，飽和輸出電壓隨輻照劑量的累計呈線性下降。在劑量率為50 rad（Si）/s的γ輻照下，在輻照劑量達到100 krad（Si）后下降約10%。輻照結束后，在室溫加電退火的100 h內，飽和輸出電壓有適量的恢復，但超過這段時間后，飽和輸出電壓基本不再產生顯著變化。

圖3　飽和輸出電壓隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.3 Variation of saturated output signal of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

耗盡層的深度主要由N+埋溝層和P外延層的濃度決定。文獻［20］指出：電離輻射損傷產生了大量的界面態，引起MOS電容閾值電壓正向漂移，像素單元耗盡層深度減小，使可儲存光生電荷量減小，從而使輸出到放大器的電荷量減少；而輸出放大器的增益退化也會降低飽和輸出電壓。CCD樣品輸出端主要有三級放大器，其組成如圖4所示。

在工作周期內，IN為輸入光電信號，它使MOS管T工作在導通狀態。飽和輸出電壓OUT的值為T管的飽和輸出電流IDSAT和電阻R的乘積。MOS管的飽和電流為

其中u為電子遷移率，Cox為MOS等效電容，VDSAT為飽和電壓。

電離輻照會導致MOS單管的飽和輸出電流降低，使輸出電阻R的分壓降低，同時也削弱了輸出放大器的增益能力［20-21］。綜上所述，電離輻照會導致像素耗盡中容納的電荷量減少，同時輻照引起的輸出放大器退化使輸出增益減小，兩者的共同作用使得輸出電壓降低。

3.3暗信號退化

暗信號是在無光暗場下CCD的輸出端信號，它主要是由光敏區原子熱激發產生的。圖5所示為暗信號隨γ輻照及相應的常溫退火時間的變化。暗信號隨著輻照劑量的累積不斷上升，且增速不斷加快。在輻照結束后的100 h內，暗信號迅速退火，有明顯的降低；在常溫加電退火200 h以后，暗信號變化緩慢，退火速度明顯降低。

CCD暗信號的來源主要是耗盡區暗信號IDEP和表面暗信號ISUR，如圖6所示。

圖4　CCD輸出放大器及其簡化結構Fig.4 Output amplifier of CCD and its simplified structure

圖5　暗信號隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.5 Variation of dark signal of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

圖6　CCD暗信號示意圖Fig.6 Schematic diagram of CCD dark signal

式中，q為電子電荷，XDEP為耗盡區寬度，ni為硅的本征載流子濃度，子DEP為耗盡區有效載流子壽命，Nss為硅-二氧化硅界面態密度，滓為電子俘獲截面，Dn為電子的擴散系數，NA為硅的摻雜濃度，L為特征長度。若擴散長度大于耗盡區下面的場自由區寬度，則L為場自由區的寬度，否則L為擴散長度［22］。

其中耗盡層暗信號主要來源于耗盡層缺陷激發的電子-空穴對。由于耗盡層中有低的自由載流子密度和高的自建電場，能級位于禁帶中央附近的缺陷激發的電子-空穴對在自建電場作用下迅速分離，其中電子漂移進入埋溝成為轉移電荷。由于γ輻照不能產生位移損傷，擴散電流主要與P襯底中電子濃度梯度有關，它和耗盡層暗信號對CCD整體的暗信號貢獻度不大，因此表面暗電流占主導地位，暗信號主要由氧化物和界面態的生長所決定。

γ輻照在氧化層中產生氧化物陷阱電荷并改變了Si/SiO2界面下的電勢場分布，同時輻照隔斷Si/SiO2界面電荷的連接使界面態大量產生，而界面態會向埋溝中輸運電荷包交流電荷，從而使得暗信號密度增大。在輻照結束后的常溫加電退火過程中，一般氧化物陷阱電荷很快中性化，暗信號在初期有明顯下降，但是界面態和深能級氧化物陷阱不容易退火［23］，因此在常溫加電退火一段后，暗信號不再顯著變化。

3.4暗信號的非均勻性退化

暗信號非均勻性即固定圖像噪聲，定義為在無光照條件下，積分時間為1 s，測試得到的各個有效像元輸出信號的均方根偏差。其中考慮到暗信號噪聲多為高斯型白噪聲，即噪聲平均值為0，所以采取連續采集多幀信號，先對其取平均值，然后再進行數據計算：

式中，M為像元個數，Voi為第i個像元在1 s內的平均輸出信號，Vo為整個像元的平均輸出信號，VFPN為器件的固定圖像噪聲［24］。

暗信號非均勻性主要反映像元之間暗信號分布的差異。圖7所示為暗信號非均勻性隨γ輻照及相應的常溫退火時間的變化。其變化趨勢與暗信號相似，隨著輻照劑量的累積，像元之間暗信號的差異增大，并在退火初期有明顯的恢復。圖8、9為在輻照前和累積劑量達到100 krad（Si）后的CCD工作在暗場下的raw圖，可以看出，像素灰度值隨輻照劑量的累積明顯抬升。

圖7　暗信號非均勻性隨輻照劑量和退火時間的變化Fig.7 Variation of dark non-uniformity signal of CCD with γ irradiation and room temperature annealing time

圖8　輻照前的raw圖像素統計Fig.8 Raw image pixel statistics of pre-irradiation

圖9　輻照100 krad（Si）后的raw圖像素統計Fig.9 Raw image pixel statistics after irradiation of 100 krad（Si）

圖10 不同劑量下的暗場像素灰度值統計Fig.10 Dark pixel gray value statistics under different dose

圖10為對raw圖中的的像素灰度值的統計結果。隨著輻照劑量的累積，暗場下灰度值峰值右移，說明像素的暗信號隨輻照累積普遍增加。同時，峰值隨劑量增加而不斷下降，且波型整體展寬，說明像素灰度值的分布變得分散，像元之間暗信號的差異顯著增加。

4 暗信號退化的劑量率效應

4.1劑量率效應實驗結果

劑量率輻照和退火實驗結果如圖11所示。在輻照階段，暗信號隨γ劑量的累積而上升。輻照100 krad（Si）后，低劑量率輻照下的暗信號增量顯著高于高劑量率。在長時間輻照過程中，低劑量率輻照也伴隨著暗信號的退火，為了排除時間相關效應，高劑量率輻照加退火時間應與低劑量率輻照時間相等，并且整個輻照和退火過程中器件偏置和環境溫度完全相同。實驗結果表明：當高劑量率輻照加退火時間與低劑量率的輻照時間相等時，高劑量率輻照產生的暗信號仍大約是低劑量率輻照下的2倍，這表明本款器件存在潛在的低劑量率損傷增強。暗信號增量與輻照累積的劑量和輻照時間有關。忽略輻照時間，在輻照不同劑量下，對比初值暗信號增量，結果如表1所示。在輻照30 krad（Si）和50 krad（Si）后，在劑量率為0.1 rad（Si）/s輻照下，暗信號增幅分別是劑量率50 rad（Si）/s的6.8倍和5.5倍；但隨著輻照劑量的繼續累積，在100 krad（Si）后，高劑量暗信號增幅只是低劑量率的大約2倍，說明選擇適當輻照劑量也許會使ELDRS效應更加明顯。

圖11　不同劑量率下的暗信號隨輻照劑量率和退火時間的變化Fig.11 Variation of dark signal of CCD under different dose rate and room temperature annealing time

表1　累積不同劑量下的暗信號對比初值的增量Tab.1 Increment of the dark signal under different doses

圖12　暗信號與輻照劑量率的關系Fig.12 Relationship between dark signal and irradiation dose rate

暗信號與劑量率的關系如圖12所示。0.1 rad（Si）/s輻照下的暗信號增幅最大，暗信號與劑量率呈負相關，實驗中沒有發現劑量率拐點。

4.2劑量率效應的機理分析

在柵介質的制備過程中，由于工藝原因和空氣中水氣的介入，柵氧化物中含有取代二氧化硅橋氧的氫原子（圖13（a）），它俘獲空穴極化后形成質子并通過跳躍輸運到界面，如圖13（b）、（c）所示。質子輸運到Si/SiO2界面處與該硅氫鍵作用生成氫分子，同時產生一個懸掛鍵。由于質子對電子的俘獲截面小于慢移動或者處于亞穩態的空穴，所以相比于質子，空穴更容易和電子復合［25-27］。高劑量率輻照產生高密度電子-空穴對，大量空穴在被氫原子俘獲之前更傾向與電子復合，這大大降低了氫原子俘獲空穴的幾率［28-29］，減少了氧化物中釋放的質子，這使得輸運到Si/SiO2界面的質子數量降低，從而抑制了界面態的產生過程，如公式（6）所示。相反，低劑量率輻照下的低密度空穴-電子對使氫原子俘獲空穴幾率增加，更有利于質子輸運到Si/SiO2界面，從而促進界面態的產生。因此，在輻照劑量相同時，低劑量率γ輻照對表面暗信號的增強高于高劑量輻照。

圖13　（a）二氧化硅中橋氧形成空位機理；（b）二氧化硅與氫分子的熱作用圖；（c）俘獲空穴后，氫原子電離成質子通過跳躍輸運向截面。Fig.13 （a）Schematic diagram of a dimer O vacancy in SiO2as processed.（b）Exothermic reaction between SiO2and H2.（c）H capture an hole.

5 結 論

在不同γ射線輻照劑量率條件下，考察了CCD主要性能參數的輻射敏感性和劑量率效應。輻照CCD器件會使得暗信號及暗信號非均勻性增加，電荷轉移效率和飽和輸出電壓降低（在劑量率為0.1，5，50 rad（Si）/s時，參數退化表現出相同趨勢）。輻照引起像元暗信號增加，隨著劑量的累積，暗場像素灰度值整體抬升，且像素間灰度值差異增大。分析認為，暗場下的灰度值隨著暗信號而變化。飽和輸出電壓下降是由于輻照中引起CCD柵氧正電荷和界面態大量產生，使得耗盡層深度降低，其可儲存光生電荷量減小，同時輸出放大器的受損也會使得飽和輸出電流降低。暗信號對γ劑量率是比較敏感的參數，且γ輻照存在低劑量率損傷增強。在累積輻照50 krad（Si）時，低劑量率損傷增強最明顯，劑量率0.1 rad（Si）/s輻照下的暗信號的增量比50 rad（Si）/s大5.5倍。初步認為導致低劑量率損傷增強的原因是：取代橋氧的氫原子俘獲空穴的幾率低于電子對空穴的俘獲幾率，高劑量率輻照使柵氧化物中電離效應感生電子-空穴對的復合速率迅速增加，減少橋氫原子的釋放，通過跳躍輸運到Si/SiO2界面的質子數量減少，從而抑制了界面態的產生。同時，劑量率效應的增強程度與劑量有關，選擇適當的劑量可以觀測到明顯的低劑量率增強效應。以上工作將對評估太空中電荷耦合器件的抗輻照能力提供實驗基礎和依據。

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武大猷（1988-），男，甘肅金昌人，碩士研究生，2010年于蘭州大學獲得學士學位，主要從事光電成像器件空間輻照效應的研究。

Email：1175052897@qq.com

郭旗（1964-），男，新疆烏魯木齊人，研究員，博士生導師，1986年于北京理工大學獲得學士學位，主要從事光電材料與器件空間輻射效應方面的研究。

E-mail：guoqi@ms.xjb.ac.cn

Dose Rate Effects of γ Irradiation on CCDs

WU Da-you1，2，WEN Lin1，WANG Chao-min3，HE Cheng-fa1，GUO Qi1*，LI Yu-dong1，ZENG Jun-zhe1，2，WANG Bo1，2，LIU Yuan1，2
（1.Key Laboratory of Functional Materials and Devices Under Special Environments of Chinese Academy of Sciences，Xinjiang Key Laboratory of Electric Information Materials and Devices，Xinjiang Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Urumqi 830011，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；3.Chongqing Optoelectronics Research Institute，Chongqing 400060，China）
*Corresponding Author，E-mail：guoqi@ms.xjb.ac.cn

The experiments of dose rate on charge coupled devices（CCDs）were carried out to investigate the relationship between the dose rate and the electrical parameters of the device，and the degradation mechanism was analyzed.With the accumulation of the dose，the dark signal（DS）and dark non-uniformly signal（DNS）increase significantly，and the both charge transfer efficiency（CTE）and saturation output voltage（SOV）tend to decrease slowly.The whole dark pixel value uplifts and the non-uniform between pixels becomes obviously.The dark signal of the CCD is negatively correlated with the dose rate，and the device presents the potential of the-low-dose-rate-damage enhancement effect.It is considered that the dose rate effect is caused by the competition between the interface states and oxide traps，and the mechanism is explained by the electron-hole pair recombination model and the damage model in the annealing process.

charge coupled device；dark signal；enhanced low-dosed rate sensitivity；dark pixel statistics

TP212.14；TN386.5

A

10.3788/fgxb20163706.0711

1000-7032（2016）06-0711-09

2016-02-03；

2016-03-15

國家自然科學基金（11005152）；中國科學院“西部之光”人才培養計劃重點項目“CCD的空間位移損傷效應及評估技術研究”資助