不同注量率质子辐照对CCD参数 退化的影响分析

李豫东， 文 林， 郭 旗， 何承发，周 东， 冯 婕， 张兴尧， 于 新

(1. 中国科学院 特殊环境功能材料与器件重点实验室， 乌鲁木齐 830011; 2. 新疆电子信息材料与器件重点实验室， 乌鲁木齐 830011; 3. 中国科学院 新疆理化技术研究所， 乌鲁木齐 830011)

电荷耦合器件(charge coupled device, CCD)是空间科学探测应用主要的图像传感器之一[1-3]，在空间辐射环境中，其性能易受各种射线粒子辐射的影响。空间辐射环境中质子是注量率最大的射线粒子，它对CCD暗信号、电荷转移效率等参数的退化影响较大[4-7]。这些参数的退化与入射质子在CCD内产生的缺陷类型及缺陷能级密切相关。Hopkinson等研究表明：电离损伤缺陷会导致CCD表面暗信号增加，位移损伤缺陷会导致CCD体暗信号增加和电荷转移效率下降[8-11]。CCD暗信号增加和电荷转移效率下降程度与退化机理、缺陷类型、产生位置及数量有关。同时，质子辐射产生损伤缺陷的分布也随质子能量、注量和CCD芯片部位的不同而变化。目前，国内外已开展大量CCD质子辐照效应研究[2-3,8-11]，但对不同注量率质子辐照下，CCD产生的损伤缺陷之间的差异鲜有报道。因此，研究不同注量率下质子辐照产生的缺陷与CCD参数退化之间的关系，对深入理解CCD的质子辐照效应规律、损伤机理、参数退化评估及预测模型的建立方法具有重要意义[12]。根据高能粒子与材料相互作用机理，能量低于10 MeV的质子在CCD内产生的辐射损伤缺陷主要有磷-空位(E中心)和氧-空位(A中心)，不同注量率的质子辐照可能产生不同的缺陷类型。由于E中心和A中心都会导致CCD的性能退化，但只有E中心会导致电荷转移效率退化。本文对一款CCD进行不同注量率质子辐照试验及辐照后的退火试验，测试了CCD的参数退化情况，研究结果可为建立质子辐照试验方法和评估技术提供理论参考。

1 辐照实验及参数测试

质子辐照CCD实验在北京大学核物理与核技术国家重点实验室的2×6 MeV串列加速器上进行，样品为2只64元×64元帧转移面阵CCD，采用质子能量为3 MeV，质子辐照注量率分别为6.5×107，0.921×107cm-2·s-1。辐照时，CCD采用零偏置状态，CCD所有管脚短接并接地。样品编号、质子能量、质子注量率及辐照总注量如表1所列。

表1 CCD质子辐照试验条件Tab.1 Irradiation test conditions of CCD

在辐照前及质子注量分别为1.45×1010， 3.67×1010， 5.12×1010， 7.34×1010cm-2时对CCD进行了离线测试，主要测试了CCD器件对质子辐射效应最敏感的参数——暗信号和电荷转移效率。辐照后，对2只CCD器件分别在退火温度为室温23 ℃，退火时间分别为1，9，12，16，16.7 h 下进行了CCD参数测试。 CCD器件采用电偏置为零偏置状态。

2 实验结果与讨论

2.1 质子辐照导致的CCD参数退化

CCD作为典型的可见光图像传感器，用于光电信号的产生和检测输出。信号从产生到输出主要经过光电转换与收集、电荷转移和信号检测与输出3个过程。在这3个过程中，CCD会产生暗场下的热激发噪声、光子散粒噪声、转移噪声和输出放大器与输出级复位电路噪声，这些噪声会增加CCD的暗信号，影响器件的探测灵敏度、信噪比和动态范围。图1为2种注量率下质子辐照CCD时，CCD产生的暗信号随质子注量增加的退化情况。从图中可以看出，利用不同质子注量率辐照的2只CCD，在辐照期间，2#产生的暗信号高于6#，但随辐照注量的增加，二者产生的暗信号退化差距缩小。当质子累积注量为7.34×1010cm-2时，2#和6#CCD 辐照后产生的暗信号退化情况几乎相同。

图1 CCD暗信号随质子注量增加的变化Fig.1 CCD dark signal vs. proton fluences

电荷转移效率(charge transfer efficiency, CTE)是评价CCD图像质量的重要指标。CTE是指CCD像素内收集到的光信号在转移栅下依次传输到检测输出电路的过程中，由于转移沟道内缺陷的俘获作用，导致信号电荷包内部分电荷输出延迟，有效像素的光信号出现损失，检测到的信号电荷比光电转换获得的信号电荷少，检测到的信号电荷与光电转换获得的信号电荷之比称为电荷转移效率ηCTE：

(1)

式中，Nd为垂直转移第一拖尾行像素的总电荷量;NLc为垂直转移帧信号中最后一行有效像素的总电荷量;Np为CCD转移的单元数乘以转移时钟相数。质子辐照同时产生电离总剂量效应和位移损伤效应，CCD转移沟道内的位移损伤缺陷分布在Si带隙内不同的能级上，CTE主要受导带底附近缺陷能级的影响，该缺陷与信号电荷相互作用，通过俘获-发射信号电荷的过程，导致CTE下降。图2是质子辐照期间，CTE随质子注量的变化曲线。

图2 CTE随质子注量的变化Fig.2 Charge transfer efficiencies of CCD vs. proton fluences

从图2可以看出，随着质子辐照注量的增加，6#CCD相对2#CCD，CTE退化较小，当质子累积注量为7.34×1010cm-2时，2#CCD的CTE退化情况高于6#CCD。从实验结果及分析可以看出，随着质子注量的增加，CCD的暗信号逐渐增加，CTE逐渐下降。对于采用2种注量率6.5×107，0.921×107cm-2·s-1辐照的CCD，较小注量率辐照的6#器件产生的暗信号和CTE退化较小，但当辐照注量达7.34×1010cm-2时，6#CCD的暗信号和CTE的退化率高于2#CCD。暗信号和CTE在质子辐照期间的退化情况表明，导致二者退化的位移损伤缺陷的产生率是一致的。由于暗信号产生的位移损伤缺陷主要是能级接近Si禁带中央的产生中心，主要是E中心，CTE退化的主要位移损伤缺陷也是E中心，但同时CTE退化还受A中心的影响。在质子辐照注量达到7.34×1010cm-2时，2个CCD的暗信号和CTE的退化出现较小的差异，这说明：不同的注量率辐照可能产生不同的A中心分布结果。这是不同注量率条件下，质子辐照导致CCD参数退化产生差异的主要原因。

2.2 室温退火期间CCD的参数变化

图3和图4是质子辐照后，CCD的暗信号和CTE随室温退火时间变化情况。从图中可以看出，不同质子注量率辐照后的器件，室温退火期间的参数变化趋势保持一致，且随着退火时间的增加，质子注量率不同带来的参数退化差异逐渐减小，甚至完全相等。由于质子辐照产生的位移损伤缺陷E中心和A中心的退火温度分别为150 ℃和350 ℃，远高于室温23 ℃，E中心和A中心均未发生退火，不会导致CCD的参数恢复，因此参数恢复主要是由于电离损伤缺陷的退火所致。

图3 CCD的暗信号随室温退火时间的变化Fig.3 Dark signal of CCD vs. room temperature annealing

图4 CCD的CTE随退火时间的变化Fig.4 CTE of CCD vs. room temperature annealing

分析进一步表明：质子辐照产生的位移损伤缺陷分布在不同注量率下存在差异，但这些差异对CCD的暗信号和CTE等关键参数的退化没有明显影响，且随着质子辐照注量的累积和室温退火时间增加，注量率差异导致的CCD参数退化差异逐渐消失。

3 结论

质子是空间辐射环境中注量率最大的射线粒子，其产生的辐射效应导致应用于空间的CCD出现参数退化。由于质子辐照产生的位移损伤缺陷性质与质子能量、注量率和注量等条件相关，本文通过采用不同注量率、相同能量的质子辐照同型号CCD，在分析CCD参数退化情况的基础上，研究了质子注量率差异导致的位移损伤缺陷分布的差异。研究表明，由于质子注量率不同，质子辐照CCD的暗信号和电荷转移效率等参数的退化程度呈现一定的差异，但参数退化的差异随着质子辐照注量的增加和室温退火时间增加逐渐消失。因此，从实验研究和数据分析的结果可知，质子注量率差异导致的CCD参数退化的不同可以忽略。由于本文采用的2种质子注量率相差约7倍，与空间、地面模拟试验条件之间的差异相比仍存在很大差距，因此，本文结果需要在实验条件差异更大的情况下进一步验证。

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