CCD器件辐射损伤参数测试方法

葛 钊，陈佳杰，李豫东，吾勤之

（1.上海航天技术研究院，上海 201109；2.中国科学院 新疆理化技术研究所，新疆 乌鲁木齐 830011；3.上海航天基础技术研究所，上海 201109）

0 引言

CCD是航天器与载荷的核心器件，在航天高分辨率对地观测领域的应用广泛。空间辐射环境作用于CCD可造成电离总剂量效应与位移损伤，导致器件性能退化甚至失效［1－2］。因此，CCD的抗辐射加固是保证航天器与载荷可靠性的关键技术。美国与欧洲的CCD抗辐射加固技术已达到很高的水平［3－4］。国内相关单位近年来也开展了CCD的γ射线、中子、质子辐照试验研究，有一定的指导意义，但由于起步较晚，CCD的辐射损伤模拟试验与测试技术、辐射效应与机理研究较薄弱，无法为抗辐射加固技术的发展提供有力的支撑［5－7］。本文在已有测试系统的基础上，建立了CCD的辐射损伤参数定量测试与分析方法，并通过某TDI-CCD的辐照试验与测试，研究了辐照前后的参数变化规律，对测试方法进行了验证。

1 测试原理与方法

1.1 测试系统

为实现CCD辐射效应测试，建立了光电成像器件辐射效应测试系统，如图1所示。该系统包括光学机械结构、电子学测试部分和控制部分。光学机械结构可为CCD的测试提供积分球均匀光源、波长可调的单色均匀光照明。电子学测试部分按功能划分为控制及数据处理、光电响应性能测试、光谱响应性能测试、传递函数测试、光辐射定标五个分系统，可为CCD的测试提供工作偏置、驱动信号，完成工作状态切换。控制部分可实现光学机械结构、电子学测试部分的控制，实现系统的结构一体化、操作自动化；实现测试数据处理功能。

图1 测试系统Fig.1 Test system

1.2 参数测试原理与方法

CCD的主要性能参数有暗信号、电荷转移效率、饱和输出信号、光响应灵敏度、响应线性度、饱和曝光量、噪声等效曝光量、信噪比、动态范围、固定图像噪声、光谱响应和调制传递函数等。绝大多数参数均可根据数个基本参数算出。参考国内外CCD测试及辐射效应的相关研究，暗信号、固定图像噪声、饱和输出信号、电荷转移效率、光响应非均匀性和光谱响应等参数最能体现器件的基本性能，并反映辐射损伤内在物理机理［8－10］。因此，本文将上述参数作为研究重点，基于已有的测试系统，研究了相关测试原理与方法。

1.2.1 暗信号与固定图像噪声

CCD的暗信号是指在无光照条件下CCD像元产生的输出信号，主要是由器件本身的热生成载流子引起。暗信号也可用暗电流密度表征，

式中：Jd为器件的暗电流密度；Vd为暗信号电压；q为电子电荷；T为热力学温度；Ad为器件的像元面积；Sv为器件的电荷－电压转换因子。

通过暗信号的测试，可反映受辐照后器件界面特性的变化以及诱发缺陷的情况。另外，暗信号增大会导致器件信噪比、动态范围降低，严重影响器件的成像质量，并会增加器件功耗电流［11］。因此，有必要测试辐射损伤对器件暗信号的影响。在无光照条件下，器件的输出信号会随积分时间线性增加，由式（1）可得

式中：Kd为单位时间内暗信号电压；t为器件的光积分时间。

CCD的固定图像噪声VFPN又被称为暗信号非均匀性，指在无光照条件下，单位积分时间内器件光敏区各像元产生的输出信号与输出信号平均值的偏差。位移损伤造成的体缺陷（点缺陷、缺陷簇等）可导致像元暗信号的非均匀性，器件应用时，固定噪声也将一步步传输至后一级，使器件信噪比与动态范围下降。测试过程为：在规定的工作频率和积分时间及温度条件下，设积分时间为1s，采集多帧信号，计算各有效像元输出信号均方根偏差，按

计算器件的输出信号均方根偏差VDEV（即固定图像噪声）。此处：m为像元数；Voi为第i个像元平均输出信号（多帧平均）；Vo为器件平均输出信号。

1.2.2 电荷转移效率与光响应非均匀性

CCD的信号电荷量从一个电极转移到下一个电极，转移前后电荷量的比值即电荷转移效率ηt。辐照诱发的缺陷会导致器件内部载流子的俘获、复合，而器件内部载流子产生、输运可用电荷转移效率表征［12］。电荷转移效率降低将会导致信号电荷严重衰减，降低器件的动态范围。因此，有必要测试辐射损伤对器件电荷转移效率的影响。器件正常工作时，电荷包在势阱间顺序转移。因电荷包转移存在电荷损失，故电荷包经N个像元转移后，其电量会减小，损失的电荷则成为后序尾像元中的延迟电荷，可用延迟电荷导出器件的电荷转移效率，该测试方法被称为扩展像元边缘响应法［8］。测试时需向CCD提供均匀光照，使其处于半饱合状态，再连续采集多帧图像信号，取平均后再进行计算。电荷转移效率可表示为

式中：ND为水平转移总迟后单元电荷量或垂直转移总迟后行电荷量；NLC为水平转移行最后一个像元电荷量或垂直转移帧信号最后一行总像元电荷量；NP为器件寄存器转移的单元数乘以时钟相数。

规定测试的行延迟拖尾像元数为1个，帧延迟拖尾像元行为一行。

高能带电粒子辐照产生的位移损伤将使CCD的光响应非均匀性γPRNU显著增大。γPRNU测试主要是计算像元间的响应差异，可采用标准均方根偏差计算方法。测试时使器件处于均匀光照条件，调节曝光量使器件的输出信号约为饱和输出信号的一半；采集多帧图像，先计算Vo，再用标准均方根偏方差方法计算器件光响应非均匀性

1.2.3 饱和输出信号

CCD的饱和输出信号是指器件在正常工作状态下输出电压的最大值，主要由器件耗尽层深度决定。耗尽层深度受外加栅压控制，故饱和输出信号变化可反映栅极阈值电压的漂移信息，是研究器件电离辐射损伤的重要参数之一。光响应输出信号是曝光量和曝光时间的线性函数，可调节积分时间以改变曝光量，通过测试输出信号计算饱和输出信号。测试时，向器件提供均匀光照，从小到大逐步调整曝光时间，同时采集器件的输出信号；以曝光量为横坐标，输出信号为纵坐标，由测试数据给出散点图，并用最小二乘法，分别在线性区和饱和区拟合出两条直线，两条直线交点的纵坐标即为器件的饱和输出信号。

1.2.4 光谱响应

CCD的光谱响应是指器件对不同入射波长的响应度，反映了器件的灵敏度和响应范围，是器件的核心指标。辐照可在半导体材料中引入缺陷能级，使器件的发光、光响应性能产生变化，通过测试器件响应度可研究器件内部产生缺陷能级的情况。CCD光谱响应度对应光生电荷的产生和收集过程，受电离总剂量效应影响较小，其变化可有效表征器件的位移损伤。测试原理如图2所示。将器件放置于均匀单色光照条件下，测试电路提供器件的工作电源及驱动脉冲，并采集器件输出信号，经转换成数字信号，按特定的传输协议由数据采集模块传输至计算机，进行后续数据处理，同时计算机可通过上位机软件发送指令控制测试电路的工作条件，改变器件的工作频率和曝光时间等。测试中器件处于单一波长的均匀光照下，测量器件的输出电压，并与该光照条件下标准量子阱探测器的响应值相除，所得值即是该入射波长下的器件响应。扫描器件的整个光谱响应范围，可得器件的光谱响应

式中：M1（λ），M0（λ）分别为每一波长的器件和量子阱探测器响应值。

图2 光谱响应测试原理Fig.2 Test principle of spectral response

2 TDI-CCD辐照试验及测试

为对参数测试方法进行验证，选取了某埋沟结构TDI-CCD样品，用中科院新疆理化所60Co-γ的辐射源进行了总剂量辐照试验。辐照剂量率为0.08Gy（Si）／s。试验过程中选取了 25，50，100，200Gy（Si）四个剂量点进行移位测试，主要测试参数为暗信号、固定图像噪声、电荷转移效率、光谱响应、饱和输出信号等，典型测试结果如图3～6所示。由结果可知：暗信号随辐照剂量增加而明显增大，但固定图像噪声、电荷转移效率、光谱响应无明显变化，在整个试验中饱和输出电压和光响应非均匀性几乎保持不变，故未给出结果。

图3 不同总剂量下暗信号Fig.3 Dark signal under various total dose

图4 不同总剂量下固定图像噪声Fig.4 Fixed image noise under various total dose

图5 不同总剂量下电荷转移效率Fig.5 Charge transfer efficiency under various total dose

图6 不同总剂量和波长下光谱响应Fig.6 Spectral response under various total dose and waveband

由参数测试结果，结合TDI-CCD的器件原理，分析认为：由于60Co-γ射线辐照主要在CCD的MOS结构SiO2层中诱发氧化物陷阱电荷，在SiO2／Si界面处诱发界面态。随着γ辐照剂量的增大，必然导致辐照诱发的表面暗电子数不断增加，从而造成暗电流显著增大；固定图像噪声的变化不明显说明γ射线辐照未导致器件材料中产生大量体缺陷（点缺陷、缺陷簇等），没有表现出明显的位移损伤；对表面沟道CCD，电荷转移效率对体缺陷与界面态较敏感，试验中的TDI-CCD采用埋沟结构，电荷转移在材料体内进行，显著减少了器件界面处特性的变化对电荷转移过程的影响，故在辐照中没有明显变化；光谱响应在辐照的前后没有发现明显变化说明器件的感光区域未明显产生缺陷能级［13－14］。

3 结束语

本文对CCD器件的辐射损伤参数测试方法进行了研究。研究证实了CCD受60Co-γ射线辐照主要导致电离总剂量效应，但未导致明显的位移损伤，这与相关报道相符［15－18］。本文CCD辐射损伤参数测试方法能用于CCD辐射效应模拟试验研究，可为CCD的辐射损伤机理研究、抗辐射性能考核评估提供试验数据。

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