线阵探测器KLI-2113总剂量辐照性能试验分析

张 航，刘栋斌

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033)

1 引 言

电荷耦合器件(CCD)在1970年由美国贝尔实验室首先研制成功。作为MOS技术延伸而发展出的一种半导体光电器件［1］，它能够存储由入射光在光敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当的时钟脉冲驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输，从而完成从光信号到电信号的转移［2］，最终以收集到的电荷作为信号。因其质量轻、体积小、功耗低、动态范围大、量子效率高、寿命长等优点，被大量应用在航天载荷对地观察、遥感观测、空间科学等领域。由于这些环境存在大量的辐射粒子［3］，所以抗辐射工作越来越受到关注和重视。从20世纪70年代起，外国研究机构开始对CCD辐射效应进行研究［4-5］。CCD受到辐射后主要产生两种效应:位移辐射效应和电离辐射效应［6-7］，其中电离辐射效应又包括总剂量效应、瞬态电离效应和单粒子效应。

Kodak公司的商业级三线阵探测器KLI-2113具有动态范围大、敏感度高、数据速度较快以及噪声低等特点，非常适合应用在空间探测领域，所以对它的抗辐照能力的研究尤为重要。本文介绍了基于探测器KLI-2113所设计的总剂量辐照装置、试验方法以及CCD受辐照后的参数变化，并分析了CCD受辐照后发生变化的内在机理。

2 辐射试验过程

2.1 辐射试验条件

我们选择放射性强度为5.2×1015Bq(14万居里)的60Co-γ射线源作为辐射源，辐射剂量率为10 rad(Si)/s，辐射总剂量为30 krad(Si)，分别在5，10，20，30 krad(Si)时对 CCD 进行参数测试，并与初始值进行对比。测试内容包括暗信号、暗噪声、固定图像噪声、饱和输出电压、响应度、电荷转移效率、响应非均匀性等7项参数。

三线阵探测器KLI-2113由3条平行的、完全相同的可见光谱段光电二极管阵列组成，每行有2 098个有效像元、12个测试像元以及12个暗像元。探测器单路的结构如图1所示。

图1 KLI-2113单路结构Fig.1 Single Channel Schematic of KLI-2113

表1 探测器KLI-2113的主要参数Table1 Main parameters of CCD KLI-2113

从25片探测器KLI-2113中随机抽取两片作为试验样品，并编号为1#和2#样品。大量的试验表明，CCD探测器在工作状态下比不加电状态下更容易受到辐射的影响。为了更好地模拟空间中的辐射条件，我们设计了辐射试验头部板和处理板，在辐射过程中为探测器提供偏置电压以及工作驱动时序(探测器偏置原理图如图2所示)，使得两片试验探测器保持典型工作状态。其中头部板连同试验探测器暴露在60Co-γ射线环境中，处理板由10 cm厚的铅砖屏蔽。

图2 KLI-2113线阵CCD辐照偏置原理图Fig.2 Application diagram of KLI-2113 for radiation test

2.2 试验方法与过程

我们依据GJB548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中1019.2电离辐射(总剂量)试验程序进行试验。首先在屏蔽良好的辐射场对1#、2#探测器进行辐射，将辐照试验用的处理板放置在铅砖防护空间内，将通过电缆连接的样片及头部板放置在剂量率为10 rad(Si)/s的合适位置，进行5 krad(Si)的辐照试验。辐射后，分别对1#、2#探测器在无辐射的实验室中按要求进行7项参数测试，要求测试时间不超过40 min。重复该过程，直至分别完成10，20，30 krad(Si)的辐照试验及测试［8］。实验流程图以及辐射后的参数测试图分别如图3和图4所示。

图3 辐射过程框图Fig.3 Block diagram of radiation process

图4 辐射后进行参数测试框图Fig.4 Block diagram of parameter testing after radiation

3 结果与讨论

3.1 试验数据

试验中测得的1#、2#探测器的7项参数如表2和表3所示。

表2 1#样品试验数据Table 2 Experimental data of No.1 sample

表3 2#样品试验数据Table 3 Experimental data of No.2 sample

续表3

图5 样品暗信号随总辐射剂量的变化。(a)1#;(b)2#。Fig.5 Changes of dark signal with the total dose radiation of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

3.2 参数分析

由1#和2#探测器样品的试验数据可以看出，两个样品的变化趋势基本一致。据此认为测量数据真实有效，可以表征探测器KLI-2113受总剂量辐照后的参数变化。

3.2.1 暗电流

暗电流是指CCD在没有感光也没有其他形式注入信号的情况下输出的电流。从图中可以看出，随着辐射总剂量的提高，探测器KLI-2113的暗信号逐渐提高，这是因为总剂量损伤破坏了Si和SiO2之间的周期晶格结构，在CCD内部的电极和栅氧化层之间形成陷阱电荷，进而导致高密度界面态(处在价带和导带之间的禁带中的中间能级)的产生。这些界面态在CCD表面很容易产生热电子-空穴对，由于这些热电子-空穴对的出现，暗电流将增大［9-10］。试验中用暗信号的变化来表征暗电流的变化。在无光照条件下，探测器的输出信号随积分时间线性增加，通过改变积分时间，测量对应的输出信号，然后以积分时间为横坐标，输出信号为纵坐标，按最小二乘法［11］，拟合出一条直线，该直线的斜率定义为探测器在单位时间的暗信号。暗信号随总剂量的变化如图5所示。

图6 暗场情况下，加电10 min后的CCD输出。Fig.6 Output of CCD in dark after 10 min

当总剂量达到30 krad(Si)时，在无辐射场的实验室中测量发现暗信号突然增大，并且随着加电时间的增加，CCD输出的势阱从12个测试像元开始，逐一向后变大，直至所有像元变成饱和，如图6所示。这是由于位移辐射在CCD的Si禁带内诱发体缺陷产生，进而形成新的产生复合中心，导致暗电流尖峰出现［12］。

3.2.2 电荷转移效率(CTE)

从表1和表2中可以看出，CCD的电荷转移效率随着辐射剂量的增加而降低。CTE是CCD的重要指标参数。在理想状态下，近似认为一个势阱中的电荷包可以完全、快速的转移到下一个势阱中;但是在实际工作中，电荷包在势阱之间的转移都是有损失的。KLI-2113未经辐射时，CTE可以达到0.999 98～0.999 99;CCD 受辐射后，在电荷转移过程中，沟道中由辐射损伤诱发的缺陷将俘获一部分电荷包里的载流子，有时候被俘获的载流子将被释放到下一个电荷包中，而不是原来的电荷包，因此辐射会造成电荷转移损失［10］。由于电荷转移损失，导致CCD的响应度(图7)和饱和输出电压(图8)也要相应地随辐射总剂量的增大而减小。

图7 样品相对响应度的变化。(a)1#;(b)2#。Fig.7 Change of relative response of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

图8 样品CCD饱和输出的变化。(a)1#;(b)2#。Fig.8 Change of saturation output of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

3.2.3 暗噪声和固定图像噪声

图9 样品暗噪声的变化。(a)1#;(b)2#。Fig.8 Change of dark noise of the samples.(a)Sample 1.(b)Sample 2.

由于MOS器件本身的特点，界面态陷阱电荷和氧化物陷阱电荷的增加，都会导致平带电压(VFB)发生变化。对于CCD，当它在一定的偏置电压处工作时，如果平带电压发生漂移，受影响最大的就是输出放大电路［13］。平带电压漂移可以引起阈值电压(Vth)发生漂移，它们都随着辐射总剂量增加而增大。当阈值电压漂移很大时，说明已经有大量的界面态出现。平带电压和阈值电压发生偏移将导致CCD转移寄存器的最佳工作偏置电压偏移［14］，CCD输出放大器非线性工作，读出噪声增加。暗噪声随总剂量增加的变化如图9所示。

4 结 论

为了测试Kodak公司的线阵CCD探测器KLI-2113的抗辐射能力，设计了60Co-γ总剂量辐射装置，对CCD样片进行总剂量为30 krad(Si)的辐照试验。随着辐射剂量的增加，CCD的暗电流增加，电荷转移效率降低，进而导致CCD的响应度和饱和输出电压降低;此外，平带电压和阈值电压的漂移使暗噪声和图像噪声变大。KLI-2113在总剂量20 krad(Si)以下时，主要参数指标受辐射影响下降;当总剂量达到30 krad(Si)时，CCD完全失效。在探测器已经确定的情况下，建议采用附加屏蔽的办法进行加固，即采用抗辐射材料加固器件以及在外壳和架构上的铝板外涂覆抗辐射材料以加强对辐射的屏蔽［15］。

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