图像传感器单粒子效应脉冲激光实验研究

曹 洲，把得东，薛玉雄，高 欣，安 恒 ，陈世军，翟厚明

(1.兰州空间技术物理研究所 真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.上海技术物理研究所 中国科学院红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083)

0 引言

由于CMOS图像传感器具有功耗低、集成度高、体积小、抗干扰能力强、单一电源供电等优点，在航天器中有着广泛的应用前景。如在深空探测、高分辨率图像传感、纳米卫星等中作为关键部件，其应用领域表现出极大的潜力。空间辐射环境中充斥着高能带电粒子，如高能重离子等[1]，当CMOS图像传感器工作在空间辐射环境中时，重离子诱导的单粒子效应将对传感器造成辐射损伤和故障，甚至会导致器件失效。因此，研究CMOS 图像传感器的空间单粒子效应及加固设计十分必要，文章进行了CMOS 图像传感器的空间单粒子效应脉冲激光模拟试验研究，分析了试验结果，探讨了新型成像器件单粒子效应的特点和损伤机理。

1 器件结构与原理简介

试验中采用的样品为512×512 CMOS APS 图像传感器,器件采用3T APS结构方式设计，25 μm间距512×512像素阵列，工作在可见光550～750 nm波段范围内。器件采用双采样电路消除固定图像噪声，具有增益可变和积分时间可调等功能。器件封装形式为64陶瓷针栅阵列管座封装。

1.1 电路结构

512×512 CMOS APS可见光图像传感器的总体电路结构框图如图1所示。图中虚框中的时序电路由外部提供。

图1 512×512 CMOS可见光图像传感器总体框图

成像器由像素列阵、两个行控制移位寄存器Yrd和Yrst、列信号读出移位寄存器Xrd、列输出电荷放大器、双采样保持电路等组成。器件的光敏感区由512行像素单元组成，每行包含像素520个单元，其中有效像素为512个，像素之间的间距为25 μm。

成像器工作模式为滚动快照模式，整个曝光过程是逐行顺序曝光，但是每一行内的像素是同时曝光。曝光后通过行选择电路来选取要读出的像素行，一行内的像素通过列移位寄存器顺序选通读出。在滚动快照模式下，一般来说，器件的积分时间应大于或等于帧读出时间。为了实现积分时间小于帧读出时间的工作状态，电路采用两路行扫描移位寄存器，其中一路控制行的选通读出(READ)，另一路控制行复位(RESET)。图1中左边移位寄存器控制行信号读出，右边移位寄存器控制行复位，积分时间Tint为行复位和行读出之间的时间间隔。

1.2 像素结构及工作原理

像素采用3T 有源结构[2]，如图2所示，其具有较高的二极管填充因子。晶体管T2把积累在光电二极管PN结上的电荷转化成电压信号(如图2 所示PD节点)，再把这个电压信号通过T3选通管传递到列总线(Column Bus)上去。RESET和READ作为晶体管的开关控制信号如图3所示，由两个行移位寄存器控制。

图2 3T像素结构

图3 3T像素结构工作原理

行移位寄存器(Yrd、Yrst)和列移位寄存器(Xrd)分布在阵列外围，各自独立工作，两个行移位寄存器位数为512，列移位寄存器用于选择每行列信号的读出，它的位数为520。同一列所有像素的输出都连接到列总线，且在列总线上都有一个放大采样电路。输入信号控制列电荷放大器复位参考电压输出，电荷放大器将像素的复位电压和光信号电压的差值进行放大，它可以消除像素级的固定图像噪声(FPN)，列电荷放大器输出的信号经过双采样电路，由R、S输入信号分别控制光信号和复位参考信号输出。

2 实验设备与方法

激光模拟单粒子效应试验系统主要由激光器系统、聚焦定位系统、控制单元等组成[3]。激光器波长分别为1 064 nm/532 nm、1 079 nm/540 nm； 脉宽分别为20～30 ps、20～30 ns；脉冲激光束聚焦光斑直径约1.8～3.0 μm，试验CMOS APS样品板固定在X-Y移动平台上，平台可三维调节，最小移动步长为0.125 μm，最大移动面积100 mm×1 000 mm。试验过程中，首先对脉冲激光模拟试验系统的激光束进行精确的聚焦定位，其次改变光路中附加的衰变器，获得一定范围能量值的入射脉冲激光,对CMOS APS图像传感器进行照射。图4给出了照射位置示意图(十字光标线位置)。

通过数字存储示波器对CMOS图像传感器APS器件输出波形进行监测，从而判断器件是否发生单粒子翻转现象。通过监测CMOS图像传感器电源电流的变化情况，判断器件是否发生单粒子锁定现象。在实验过程中,依据CMOS图像传感器的结构特点,首先针对可能对单粒子效应比较敏感的移位寄存器开展了初步的摸底试验，摸底试验表明，移位寄存器的不同位置，其发生单粒子效应的敏感性不同。

针对产生单粒子效应的脉冲激光能量，试验中采用逐渐能量逼近的方法(逐渐升高或降低辐照脉冲激光能量)，确定CMOS图像传感器APS器件发生单粒子翻转或单粒子锁定的能量阈值。利用上述方法完成了CMOS图像传感器APS器件发生单粒子效应的检验试验，在实验研究中，重点针对CMOS图像传感器中的移位寄存器开展了单粒子效应敏感性实验，分别采用波长为1 064 nm、1079 nm的脉冲激光，获得了图像传感器中移位寄存器，输出端BUFFER区，输入端BUFFER区及象素区域的单粒子效应特征参数，主要包括发生单粒子效应的脉冲激光能量阈值、锁定电流大小及达到的未发生单粒子效应的最大激光能量值等。

图4 CMOS图像传感器照射位置图片

3 分析与讨论

结合CMOS图像传感器结构特点，通过对实验数据的分析，发现CMOS图像传感器的单粒子效应与其它集成电路(如SDRAM、A/D等)的单粒子效应具有明显的区别[4]。在针对图像传感器移位寄存器的实验中发现，单粒子翻转和单粒子锁定几乎是同时发生的，在其它区域也发现了类似现象。表1给出了CMOS图像传感器单粒子效应敏感性数据分析。从表1中可以看出，就传感器移位寄存器而言，不同位置的单粒子效应敏感性差别较大，在位置4区域，发生单粒子翻转和单粒子锁定的脉冲激光能量阈值仅为1.74 nJ，而在位置9，当脉冲激光能量达到120 nJ时，仍未发生单粒子翻转和单粒子锁定现象；这种差别也许与移位寄存器的行列构成差别有关，从1.2节知道，在列寄存器前端存在着列电荷放大器，也许最敏感的位置4区域就是列电荷放大器区域。锁定电流测试数据也表明，不同位置发生锁定后的电流大小不同，最小电流为55 mA，最大电流达到230 mA。在器件的输出和输入端BUFFER区域，单粒子效应的敏感性差别不是很大。在CMOS图像传感器的其它区域，也发现了单粒子翻转和单粒子锁定现象。

表1 CMOS图像传感器单粒子效应敏感性

在实验研究中，针对CMOS图像传感器中的移位寄存器开展单粒子效应加固设计措施有效性的实验验证，采用波长为1 079 nm的脉冲激光，获得图像传感器中移位寄存器，BUFFER区的单粒子效应特征参数，主要包括发生单粒子效应的脉冲激光能量阈值、锁定电流大小及达到的未发生单粒子效应的最大激光能量值等。在CMOS图像传感器试验样品结构设计中，采用对单粒子锁定有一定防护作用的保护环结构方式[5]，通过对实验数据的分析发现，单粒子锁定防护的保护环设计是有效的。当脉冲激光能量从约20 nJ增加到约140 nJ时，均未观测到单粒子锁定的发生。当脉冲激光束能量稳定在50 nJ左右时，对加固器件的不同部位进行扫描照射，均未观测到单粒子锁定发生。依据脉冲激光能量等效重离子LET值的计算方法[6]，考虑到器件结构对脉冲激光能量调制和屏蔽，则50 nJ脉冲激光能量约等效重离子LET值为115.0 MeV·cm2/mg。非加固器件的比较实验表明，当脉冲激光能量达到11.9 nJ(等效重离子LET约27.4 MeV·cm2/mg)时，器件发生了单粒子锁定，从另一方面说明了加固设计措施的有效性。

4 结论

脉冲激光模拟实验结果表明，CMOS图像传感器APS器件在空间辐射环境中会诱发两种主要单粒子效应现象,既单粒子翻转(SEU)和单粒子锁定(SEL)，实验也验证了CMOS图像传感器APS器件抗单粒子锁定设计措施的有效性。在针对图像传感器移位寄存器的实验中发现，单粒子翻转和单粒子锁定几乎是同时发生的，在其他区域也发现了类似现象。实验中发现了CMOS图像传感器发生单粒子效应的主要特点，同时,也确定了器件发生单粒子翻转和单粒子锁定的脉冲激光能量阈值, 获得了器件发生锁定时的电流大小。在不同部件、同一部件的不同位置，CMOS图像传感器发生单粒子翻转和单粒子锁定的能量阈值不同。就CMOS图像传感器单粒子效应敏感性而言，在列寄存器区域最易发生单粒子效应，这是由于其前端存在着列电荷放大器的原因所致。比较实验表明,CMOS图像传感器的单粒子锁定保护环加固设计是有效的。

参考文献：

[1]Feynman J, Gabriel S B. High-energy charged particles in space at one astronomical[J]. IEEE TransNucl. Sci,1996,43(2):344-352.

[2]Eric R Fossum. CMOS active pixel image sensors[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 1997,395:291-297.

[3]曹洲, 薛玉雄, 杨世宇, 等.单粒子效应激光模拟试验技术研究[J].真空与低温, 2006,12(3):166-172.

[4]Phil Layton, Scott Kniffin, Steven Guertin, et al. SEL induced latent damage, testing, and evaluation[J]. IEEE Trans Nucl Sci, 2006, 53(6):3153-3157.

[5]TerrillK W, Hu C. Substrate resistance ca1culation for latchup modeling[J]. IEEE Trans Electron Dev, 1984, 31(9):1152-1155.

[6]田恺，曹洲，薛玉雄, 等.脉冲激光能量等效重离子LET研究[J].原子能科学技术，2010,44(4):489-493.