InGaAs探测器总剂量辐照性能试验分析*

2015-05-09刘栋斌孙振亚王文全

传感技术学报 2015年1期

关键词：器件光学探测器

张航,刘栋斌,李帅,孙振亚,王文全

(1.吉林大学物理学院,长春 130000;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033)

InGaAs探测器总剂量辐照性能试验分析*

张航1,2,刘栋斌2,李帅2,孙振亚2,王文全1*

(1.吉林大学物理学院,长春 130000;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033)

针对Xenics公司的一款InGaAs探测器,根据载荷工作环境要求,轨道高度700km,在轨工作3年的总剂量辐射为2 krad(Si),技术指标要求探测器的抗总剂量辐射能力要在10 krad(Si)以上。因此对其进行总剂量为30 krad(Si)的60Co-γ辐射试验[1-2]。对比辐照前后探测器的参数变化,发现随着总剂量的增加,探测器的暗电流有所增大,响应度有所降低,整体性能略有下降,但满足指标要求。分析γ辐射对探测器影响的内在机理,为后续InGaAs探测器抗总剂量辐射加固提供依据和参考。

InGaAs探测器;损伤机理;总剂量辐射;暗电流;响应度

传统的CCD探测器只对可见光谱段进行响应,而InxGa1-xAs材料随着In含量的不同,响应光谱可以在870 nm～3 500 nm范围内。随着空间遥感应用的发展,可见光谱段已经不能满足科学研究的需要,InGaAs材料已经成为一种十分重要的短波红外探测材料。两者的响应光谱不同,为了扩大有效载荷的光谱监测范围,通常需要两种探测器配合使用。由InGaAs材料制作的短波红外探测器具有灵敏度高、量子效率高、可在室温工作等优点,在仪器的小型化、降低红外系统成本等方面具有很强的竞争力[3-4],国外已经在空间遥感的多个领域广泛应用InGaAs探测器[5-7]。近年来,我国随着Ⅲ～V族材料器件的不断发展,InGaAs探测器也逐渐应用在光纤通讯和空间遥感等领域,InGaAs探测器光电响应主要集中在红外谱段,可以为地球大气谱线测量和环境监测提供数据资料[8]。

InGaAs探测器和Si基CCD探测器都属于半导体材料。GaAs半导体材料与Si半导体材料相比,在物理性质上有很多优点,比如材料密度、电阻率、电子迁移率上,GaAs半导体材料都远大于Si半导体。特别是它的禁带宽度比较大,对γ射线有较高的抗辐照能力,许多研究结果表明,GaAs探测器比Si探测器能承受的辐射剂量一般高两个数量级。为了评估InGaAs探测器在空间遥感应用中受到的总剂量辐射损伤,我们需要定量的测试其在宇宙射线环境中的抗辐照能力。针对项目需求,我们选择Xenics公司的一款InGaAs探测器,通过对大气谱线的测量和反演,探测地球大气中气溶胶的含量。本文首先针对InGaAs探测器设计了一套总剂量辐照装置[9-10],介绍试验过程,并分析辐照前后的参数变化和机理。

1 辐射试验过程

1.1 辐射试验条件

以14万居里的60Co-γ射线源作为辐射源,辐射剂量率为16 rad(Si)/s,辐射总剂量为30 krad(Si)。在室温25 ℃的大气环境中,分别在总剂量达到5 krad(Si)、10 krad(Si)、15 krad(Si)、20 krad(Si)、30 krad(Si)时对InGaAs探测器进行参数测试,并与初始值进行对比。测试参数包括暗信号、响应度、DN值随积分时间的变化关系以及DN值随积分时间变化关系的线性拟合相关系数。

从5片InGaAs探测器中随机抽取一片作为试验样品,编号为8182,该探测器为线阵探测器,有2 048个像元,前后各有8个哑像元,输出结构分为上下两部分,奇数像元从顶部寄存器(Top ROIC)输出,偶数像元从底部寄存器(Bottom ROIC)输出。探测器结构如图1所示。

在空间环境中,探测器在加电工作状态下比不加电状态更容易受辐照影响。为了测试更准确,我们单独设计了探测器前端板和信号处理板,其中前端板连同InGaAs探测器暴露在60Co-γ射线环境中,信号处理板被10 cm厚的铅砖屏蔽。这样可以保证探测器在试验过程中工作在典型状态下。

图1 InGaAs探测器输出结构

图2 KLI-2113线阵CCD辐照偏置原理图

表1 InGaAs探测器的主要参数

1.2 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。

辐照前,先对样品进行初值测试,确定系统正常后将样品和配套电路送入辐照室。将辐照样品放在预定位置进行辐照,以16 rad(Si)/s的剂量率,当累积剂量分别达到5 krad(Si)、10 krad(Si)、15 krad(Si)、20 krad(Si)、30 krad(Si)时,降源取出样品作移位测试,为防止辐照后的退火效应,参数测试时间不超过20 min[11-12]。试验流程如图3所示。

图3 辐射试验流程框图

1.3 试验数据

试验数据如表2所示。

表2 8121号样品试验数据

2 参数分析

暗电流:暗电流指的是探测器在没有光感也没有其他形式输入的情况下输出的电流。如图4所示(探测器输出我们采用16位数字量化,饱和输出DN值为65536,暗场情况下有2 550左右个DN值),随着γ辐照总剂量的提高,InGaAs探测器的暗电流有微小的增加。这是因为γ射线与器件相互作用发生康普顿散射,产生康普顿电子,使得物质内部载流子浓度增加,这就是γ辐照带来的电离效应。同时,γ辐照还会带来位移效应,它在半导体中产生位移损伤,在器件材料中引入晶格损伤或者形成点缺陷和缺陷团。这些缺陷在半导体中引入处于禁带中央附近的深能级,随着γ辐照总剂量的增加,深能级的缺陷密度和俘获截面也随之增大,从而降低少数载流子的寿命,导致产生-复合电流增加,使探测器的暗电流增加。同时,γ辐照还会带来表面效应,增大表面复合速度,使得表面漏电流变大[13-16]。从数据上发现,随着辐照剂量的增加,暗电流有微小的增加。暗电流变化不明显的原因有两个,首先辐照总剂量不够大;更重要的原因是探测器吸收层与衬底的晶格失配比较大,半导体中的缺陷密度较大,使得产生-复合电流成为暗电流的主要成分,当总剂量不足够大时,辐照损伤带来的暗电流并不明显[17-19]。

图4 InGaAs探测器样品暗信号变化

响应度:如图5所示,InGaAs探测器随着辐照总剂量的递增,响应度也相对应的有所下降[20-21]。在理想情况下,我们近似的认为电荷包可以无损、快速、完全的从一个势阱转移到下一个势阱中。但是在实际情况下,每一次的电荷转移都有消耗[22]。当器件受到辐照后,沟道中由于辐照带来的损伤所诱发的缺陷可能俘获掉光生载流子,使得电荷包不能完全的转移到下一个势阱中,导致器件的响应度降低。

图5 InGaAs探测器样品响应度变化

DN值随积分时间变化关系的斜率:我们在一个固定的辐亮度下,改变InGaAs探测器的积分时间分别为160 μs、1 600 μs、3 200 μs、6 400 μs、8 000 μs采集保存图像,通过这五幅图像,计算其灰度平均值,按最小二乘法[23-24],拟合出一条直线,该直线的斜率即表征探测器输出随积分时间的变化关系。从图表中我们可以看出,辐射总剂量对该斜率几乎没有影响,虽然辐射会降低器件的响应度,但是并不影响器件输出随积分时间的等比例增加,即输出的DN与积分时间仍然呈线性关系,且比例不变。

3 结论

为了测试Xenics公司的一款InGaAs探测器的抗辐照能力,我们设计了一套60Co-γ总剂量辐射测试设备,对探测器样品进行总剂量为30 krad(Si)的辐照试验。试验结果表明,随着总剂量的增加,器件的暗电流增加,响应度降低,性能稍有下降。当总剂量达到30 krad(Si)时,器件性能影响仍然不明显,满足技术指标中10 krad(Si)的抗辐照要求。为了保证在轨工作期间,探测器的性能一致,我们将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[25]。

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Analysis of Total Dose Irradiation Test for InGaAs Detector*

ZHANGHang1,2,LIUDongbin2,LIShuai2,SUNZhenya2,WANGWenquan1*

(1.College of Physics,Jilin University,Changchun 130000,China;2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

According to environmental requirement of payload,the total dose irradiation is 2 krad(Si)when the orbital altitude is 700km and work period is 3 years.So the InGaAS detector of the Xenics company should have the ability of 10 krad(Si)resistant radiation.In order to study the characteristics of this InGaAs detector,irradiation test was conducted using a Cobalt60-γ with the total dose of 30 krad(Si).Main parameters of the detector was studied before and after irradiation.After irradiation,the dark current increases and response of detector decreases with the irradiation dose increasement,which indicates that performance of the detector becomes worse with increasing irradiation dose.It is analyzed that the damage mechanisms of detector after γ irradiation,there results provide reference for the total dose resistant irradiation hardening in future.

InGaAs detector;damage mechanism;total dose radiation;dark current;response