CMOS APS質子輻照效應實驗

李永宏, 李 洋, 楊 業, 劉 方, 王 迪, 趙銘彤， 劉昌舉, 趙浩昱, 賀朝會, 徐江濤

(1. 西安交通大學 核科學與技術學院， 西安 710049； 2. 西北核技術研究所， 西安 710024； 3. 天津大學 微電子學院， 天津 300072)

隨著航天工業的發展，圖像傳感器在遙感衛星、導航衛星、通信衛星及天文觀測等空間領域的應用越來越受到重視，互補金屬氧化物半導體有源像素圖像傳感器(complementary metal-oxide-semiconductor transistor active pixel sensor，CMOS APS)具有功耗低、集成度高及低成本等優點，在遙感成像、星敏感器和太陽敏感器等衛星圖像采集處理方面得到廣泛應用。由于組成空間輻射環境的地球輻射帶、銀河宇宙射線和太陽宇宙射線中質子約占73%，能量范圍從0.1～10 GeV，因此任何應用在空間系統中的器件都應考慮質子輻射環境對其性能的影響[1-2]。CMOS APS由于易驅動、低功耗及小尺寸等優勢，已被廣泛應用于空間成像系統，其在空間環境中的輻照效應敏感性受到了國內外學者的廣泛關注[3-10]。本文使用西安200 MeV質子應用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)產生的60 MeV質子對CMOS APS的質子輻照效應進行了研究，進一步揭示了CMOS APS質子輻照效應的敏感性。

設計了可用于圖像傳感器輻射效應在線測量的暗室系統，解決了以前每個輻照注量點的CMOS APS輻照效應參數測量需從加速器實驗室移至專用的光學測量實驗室進行的難題。利用該系統對CMOS APS受不同注量質子輻照后的暗信號、暗信號非均性(圖像固定噪聲)、光響應非均性和不同光強度下的器件平均輸出等參數進行了測量。

1 被測試芯片

實驗使用的CMOS圖像傳感器芯片采用單邊列并行讀出方式，每列讀出電路的寬度為6 μm。讀出電路主要包括單端CDS電路、ADC、列并行轉列串行輸出電路、Binning電路、并轉串電路和LVDS接口電路。有效像素陣列大小為2 130×2 048，為滿足幀頻要求，行讀出時間設定為24.36 μs，整體陣列分多組輸出，以250 MHz的時鐘頻率完成數據輸出，在行讀出時間內可以完成數據輸出，數據包括有效數據、行頭標志位和行編碼，CMOS APS芯片關鍵參數如表1所列。

表1 CMOS APS關鍵參數Tab.1 Key parameters of CMOS APS

2 質子位移損傷輻射效應測試系統

CMOS APS輻照效應測試系統包括數據采集系統和輻射效應測試暗室，如圖1所示。圖2為圖像處理電路。圖像處理電路與置于數據采集系統工控機內的圖像采集卡通過長度為5米的標準Cameralink電纜互連。

(a) Data aquisition system

現有的CMOS APS輻照效應測量過程中所采用的方法都是首先對器件進行輻照，當質子注量達到預設值時，將器件取下帶回光學實驗平臺進行參數測量，然后再放入輻射場輻照至第2個注量點，以此往復。這種測試方法實驗效率極低，質子輻照后的感生放射性會對實驗操作人員造成一定的危害。為了提高CMOS APS質子位移損傷效應的測量效率，并減少感生放射性對實驗人員的危害，實現CMOS APS輻射效應的在線測量，本文設計了便攜暗室。實驗過程中將配裝圖像處理系統的測試電路置于暗室之中。暗室正對質子束流的出口面設有可通過控制系統自動開關的窗口，窗口面積大于質子束斑面積，束流通過窗口可對被測試CMOS APS芯片進行輻照實驗，當輻照達到預設注量值時關閉暗室窗口，即可對CMOS APS的相關電學參數進行實時測量。

圖2 圖像處理電路Fig.2 Circuit of image processing

暗室結構整體采用鋁合金+不銹鋼的方式進行設計建造。除屏蔽門、屏蔽體及內部電路支撐結構外，均為不銹鋼材質。設備從頂部進行樣品取放，頂蓋內側設置樣品支撐結構，穿過頂蓋設置樣品測試電纜接頭，可實現樣品數據的對外傳輸。屏蔽門電控開閉，攜帶有壓緊裝置以保證暗室密封效果。屏蔽門打開后可進行質子實驗，屏蔽門關閉后，門后安裝的照明設備點亮，為傳感器提供參考光源。暗室控制系統基于嵌入式手段實現控制，以MCU為核心，通過數據線與電機驅動器連接，以通信方式實現對電機的控制，系統設置LED光源，由MCU控制其亮度，作為設備的參考光源。

3 實驗結果

3.1 暗信號

在暗場條件下，圖像傳感器件的輸出信號會隨暗電流發生累計，并隨積分時間線性增加。測試不同積分時間下暗場的輸出信號，對積分時間-輸出信號圖使用最小二乘法擬合得到一條直線，該直線斜率即為圖像傳感器的單位時間暗信號，通過暗信號值可計算得到圖像傳感器的暗電流密度。圖3為圖像傳感器暗電流密度隨質子注量的變化關系。由圖3可見，當質子注量為1×1013cm-2時，輻照后CMOS APS暗電流密度增加約為100 nA·cm-2。

圖3 CMOS APS暗電流密度隨質子注量的變化關系Fig.3 Dark current density of CMOS APS vs. Φ

CMOS APS暗信號非均勻性又被稱為固定圖像噪聲，是指在暗光場條件下，單位積分時間內，光敏區各像元產生的輸出信號與輸出信號平均值的偏差，用σFPN表示，是由工藝流程、電路結構和工作模式引入的一些附加噪聲，為器件像素間的差異。質子輻照位移損傷造成的晶格缺陷可直接導致暗信號及像元的非均勻性。圖4為CMOS APS暗信號非均勻性隨質子注量的變化關系。由圖4可見，當質子注量為1×1012cm-2時，CMOS APS暗信號非均勻性基本不變；當注量達到5×1012cm-2后，暗信號非均勻性開始升高；當注量達到1×1013cm-2時，暗信號非均勻性從7 mV上升至15～25 mV之間。

圖4 CMOS APS暗信號非均勻性隨質子注量的變化關系Fig.4 σFPN vs. Φ

3.2 光響應非均勻性

在均勻光照條件下，像元之間的響應存在差異，器件輸出信號半飽和時，有效像元之間響應的偏差為光響應非均勻性，通常用σPRNU表示。CMOS APS光響應非均勻性隨質子注量的變化關系，如圖5所示。由圖5可見，當質子注量小于1×1012cm-2時，光響應非均勻性基本不變；當質子注量大于1×1012cm-2后，光響應非均勻性開始升高；當質子注量達到1×1013cm-2時，2#被測器件的光響應非均勻性為3 mV。

圖5 CMOS APS光響應非均勻性隨質子注量的變化關系Fig.5 σPRNU vs. Φ

3.3 不同光場下的平均輸出值

圖6、圖7和圖8分別是暗場、半飽和光照和飽和光照條件下CMOS APS平均輸出隨質子注量的變化關系。由圖6可見，暗場條件下，當質子注量小于5×1012cm-2時，平均輸出變化趨勢不明顯；當注量為1×1013cm-2時，平均輸出值增加了約11%。由圖7可見，半飽和光照條件下，當質子注量小于5×1011cm-2時，平均輸出變化趨勢不明顯；當質子注量大于5×1012cm-2時，平均輸出明顯增加；當質子注量為1×1013cm-2時，平均輸出增幅為16%。由圖8可見，在飽和光照條件下，當質子注量小于2×1011cm-2時，2#被測器件的平均輸出變化趨勢不明顯；當質子注量大于2×1011cm-2時，2#被測器件的平均輸出顯著增加；當質子注量為1×1013cm-2時，2#被測器件的平均輸出增幅為69%；3#被測器件受質子輻照影響較大，平均輸出產生了異常。

圖6 暗場條件下，CMOS APS平均輸出隨質子注量的變化關系Fig.6 Average output of CMOS APS in dark field vs. Φ

圖7 半飽和條件下，CMOS APS平均輸出隨質子注量的變化關系Fig.7 Average output of CMOS APS in sub-saturation field vs. Φ

圖8 飽和光照條件下，CMOS APS平均輸出隨質子注量的變化關系Fig.8 Average output of CMOS APS in saturation field vs. Φ

4 小結

本文利用XiPAF開展了CMOS APS質子輻照效應實驗，實驗結果表明：CMOS APS暗電流隨著質子注量的增加而線性增加；當質子輻照注量小于5×1012cm-2時，CMOS APS暗信號非均勻性、光響應非均勻性及平均輸出等參數基本不變；當輻照劑量超過這一值時，暗信號非均勻性、光響應非均勻性及平均輸出等參數呈增長趨勢。