CCD表面暗电流特性研究

雷仁方，王 艳，高建威，钟玉杰

(重庆光电技术研究所第一研究室，重庆 400060)

自从电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)在贝尔实验室被发明以来，其在星载、航空航天、微光夜视、医疗和工业等方面得到了广泛应用。在饱和输出幅度、量子效率、暗电流、噪声等CCD参数中，低暗电流一直是CCD研发人员的努力方向［1］。CCD暗电流由Si－SiO2界面的表面暗电流、耗尽区的耗尽区暗电流和场自由区的扩散电流组成［2］，其中表面暗电流占据CCD暗电流的主导地位。为了抑制表面暗电流，多相钉扎(Multi－Pinned Phase，MPP)、所有栅钉扎(All Gate Pinned，AGP)和反型工作模式(Inverted Operation Mode，IOM)等工作模式都可在CCD表面的硅－二氧化硅界面形成了空穴积累层，抑制表面暗电流的产生［3－6］，使这些工作模式下的CCD暗电流仅来源于耗尽区暗电流和扩散暗电流，具有更低的暗电流特性。但在实际应用时，如线阵CCD和TDI CCD等，无法采用MPP结构来抑制表面暗电流。所以，表面暗电流会是CCD研发人员的关注重点。本文针对CCD表面暗电流的温度特性和辐照特性进行了分析和实验验证。

1 CCD暗电流理论分析

CCD的暗电流有3个重要来源，即Si－SiO2界面的表面暗电流、耗尽区暗电流和场自由区的扩散电流，如图1所示，表面暗电流由硅－二氧化硅表面的界面态密度决定;耗尽区暗电流产生于耗尽区的热产生电子，由有效少子寿命决定;扩散暗电流产生于沟阻、CCD势阱下方的中性区域和衬底［7－8］。表面暗电流IS、耗尽区暗电流IDEP和扩散暗电流IDIF分别由下式表示

式中，q为电子电荷;ni为硅的本征载流子浓度;NSS为硅－二氧化硅界面的界面态密度;σ为电子横截面积;xDEP为耗尽区宽度;τDEP为耗尽区有效载流子寿命;Dn为电子的扩散系数;xc为特征长度，若扩散长度大于耗尽区下面的场自由区宽度，则xc为场自由区的宽度，否则xc为扩散长度;NA为硅的掺杂浓度。

CCD暗电流为表面暗电流、耗尽区暗电流和扩散暗电流3者之和，由式(4)表示

图1 CCD暗电流示意图

常温下，若硅 －二氧化硅界面态密度 NSS为5E9 cm－2eV－1、耗尽区有效少子寿命为20 ms，则 CCD总暗电流约为2 nA/cm2。其中，耗尽区暗电流约35 pA/cm2，扩散暗电流约1 pA/cm2。这说明表面暗电流为CCD总暗电流的主要来源，占据主导地位。

CCD的栅介质为SiO2/Si3N4复合栅介质，在Si－SiO2界面，由于晶格周期性排列的失配，形成了硅的悬挂键，如图2所示，形成复合－产生中心，即界面态。在CCD积分过程中，界面态产生的电子被势阱收集并成为暗电流。在温度一定的情况下，CCD表面暗电流随界面态密度的增加而增加，且呈线性关系，如图3所示。

图2 CCD表面硅－二氧化硅界面的悬挂键

图3 CCD表面暗电流与界面态密度的关系

2 实验结果与讨论

采用1 024×1 024可见光CCD对其表面暗电流与界面态密度、温度和辐照的关系进行了实验和分析。该器件为n型埋沟全帧转移CCD，采用3层多晶硅和1次金属，像元尺寸为11μm×11μm，该器件的基本参数如表1所示。

表1 1 024×1 024可见光CCD参数

2.1 CCD表面暗电流的温度特性

1 024×1 024可见光CCD的器件暗电流随温度变化情况如图4所示。表面暗电流一直占据支配地位，是暗电流的主要来源。随着温度的增加，虽然表面暗电流一直占据支配地位，但耗尽区暗电流特别是扩散暗电流对器件总暗电流的贡献越大，所占比例也越来越大，表面暗电流与耗尽区、扩散暗电流二者之和的比例随温度变化情况如图5所示。

图4 1 024×1 024可见光CCD暗电流与温度的关系

图5 IS/(I DEP+I DIF)与温度的关系

由于CCD势阱容量的有限性，若CCD的部分势阱被暗信号电子填充，则可容下的有用信号电子数降低，CCD的有效输出降低。若CCD的势阱全部被暗信号电子填满，则CCD不能再存储光子产生的光生电子，器件失去光响应和成像功能。在温度为62℃时，1 024×1 024可见光CCD的暗信号电子填满CCD的势阱，器件没有光响应，失去成像功能。

暗电流的非均匀性来源于像元间的暗电流差异，和硅体内的缺陷、金属离子沾污等有直接关系。1 024×1 024可见光CCD工作在MPP模式下和非MPP模式下的暗电流非均匀性，随温度变化情况如图6所示。

图6 暗电流非均匀性随温度的变化

可见，不仅CCD的暗电流随温度的上升而升高，暗电流非均匀性也随着温度的上升而增加，说明存在缺陷、金属离子沾污像元的暗信号，电子随温度的增加量，大于无缺陷的。

工作在非MPP模式下的CCD暗电流，非均匀性明显大于MPP模式下的CCD暗电流非均匀性，这是由于硅－二氧化硅处的界面态引起，说明不同像元间的界面态密度不同，使得不同像元间热产生的暗信号电子的差异较大，造成非MPP CCD的暗电流非均匀性大于MPP CCD的暗电流非均匀性。且界面态引起的热产生暗信号电子，随温度变化量大于缺陷、金属离子等引起的热产生电子随温度变化量，使得非MPP CCD的暗电流非均匀性随温度上升斜率远大于MPP CCD。

图6中非MPP CCD的暗电流非均匀性从2.92%突然下降到0.79%，这不仅说明暗信号电子已经填满了CCD的势阱，而且沟阻已失去限定电子转移范围的功能，器件信道内的暗信号电子相互串扰，使得暗信号电子平均分布，造成暗电流非均匀性变好的假象。

2.2 CCD表面暗电流的γ辐照特性

1 024×1 024可见光CCD辐照实验使用Co60辐照源，实验中γ射线剂量率为5 Rad(Si)/s，实验温度为室温，辐照总剂量分别为25 kRad(Si)、50 kRad(Si)、75 kRad(Si)、100 kRad(Si)，然后测试器件的表面暗电流，暗电流测试温度为20℃。不同辐照剂量下CCD表面暗电流如图7所示，随着剂量的增加，器件的暗信号逐渐增大。

图7 不同辐照剂量下的CCD表面暗电流

γ射线辐照对CCD表面暗电流的影响是因为CCD的基本结构为MOS栅电容结构，其栅介质为SiO2/Si3N4复合栅介质。器件受到辐照后，在硅－二氧化硅界面产生大量的界面态缺陷［9］，且在 Si－SiO2处产生的界面态能级主要位于Si的禁带间，很容易与Si体内的载流子作用而引起电子空穴对的热激发，从而使器件的表面暗电流增大。图7中的CCD经不同辐照剂量后的硅－二氧化硅界面态密度如表2所示。随着γ辐照剂量的增加，硅－二氧化硅界面态密度随之增加，使得CCD表面暗电流和总暗电流增大。

表2 不同辐照剂量下的硅－二氧化硅界面态密度

3 结束语

通过对CCD表面暗电流温度特性和辐照特性的理论分析和实验验证，发现表面暗电流不仅是CCD总暗电流的主要来源，且是CCD暗电流非均匀性的主要影响因素;经过γ射线辐照后，CCD栅介质的硅 －二氧化硅界面态密度随辐照剂量的增加而增加，使得CCD表面暗电流和总暗电流随之增加，是CCD经辐照后暗电流变大的主要影响因素。

［1］BOGAART E W，HOEKSTRA W.Very low dark current CCD image sensor［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，2009，56(11):2462 －2467.

［2］JANESICK J R.Scientific charge－ coupled devices［M］.Bellingham，WA:SPIE Press，2001.

［3］TOM E.Charge － coupled device pinning technologies［J］.Optical Sensors and Electronic Photography，1989，1071:153－169.

［4］雷仁方，杜文佳，李睿智，等.CCD MPP结构制作工艺技术研究［J］.半导体光电，2009，30(6):867 －869.

［5］BOSIERSJT，PETERSI M.Technical challenges and recent progress in CCD imagers［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，2006，565(1):148 －156.

［6］JANESICK J R.Scientific charge－ coupled devices［M］.Bellingham，WA:SPIE Press，2001.

［7］GONG D，PIERRET R F.Thermal carrier generation in charge－ coupled devices［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，1975，22(8):593 －602.

［8］SCHRODER D K.Carrier lifetimes in silicon ［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，1997，44(1):160 －170.

［9］钟玉杰，周玉红，雷仁方，等.γ辐照对1024×1152可见光CCD的影响研究［J］.半导体光电，2010，31(6):846－848.