电荷耦合器件在质子辐照下的粒子输运仿真与效应分析

应用蒙特卡洛方法计算了质子在科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD) 结构中的能量沉积, 并结合该CCD的质子辐照试验及退火试验数据, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算体硅内沉积的位移损伤剂量和栅氧化层的电离损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号、电荷转移效率两个参数的变化规律. 研究结果显示, 暗信号和电荷转移效率的变化规律与位移、电离损伤剂量一致; 退火后暗信号大幅度降低, 辐照导致的表面暗信号增加占总暗信号增加的比例至少为80%; 退火后电荷转移效率恢复较小, 电荷转移效率降低的原因主要为体缺陷. 通过总结试验规律, 推导出了电荷转移效率退化程度的预估公式及其损伤因子k_damage.     

质子辐照导致科学级电荷耦合器件电离效应和位移效应分析

针对卫星轨道上的空间环境辐射引起电子元器件参数退化问题, 为了研究光电器件空间辐射效应、损伤机理以及参数退化规律, 对某国产埋沟科学级电荷耦合器件(charge-coupled devices, CCD)进行了10 MeV质子辐照试验、退火试验及辐射效应理论模型研究. 试验过程中重点考察了器件的暗信号和电荷转移效率特性的变化. 试验结果表明, 器件的主要性能参数随着质子辐照注量的增大明显退化, 在退火过程中这些参数均有不同程度的恢复. 通过对CCD敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析, 并根据半导体器件辐射效应理论, 推导了器件敏感参数随质子辐照注量变化的理论模型, 得到了暗信号及电荷转移效率随辐照注量退化的半经验公式. 上述工作可为深入开展CCD抗辐射性能预测、抗辐射工艺改进与结构优化提供重要参考.     

质子与中子辐照对电荷耦合器件暗信号参数的影响及其效应分析

对科学级电荷耦合器件(charge-coupled device, CCD)进行了质子和中子辐照试验及退火试验, 应用蒙特卡洛方法计算了质子和中子在CCD中的能量沉积, 分析了器件的辐射损伤机理. 仿真计算了N⁺埋层内沉积的位移损伤剂量, 辐照与退火试验过程中主要考察暗信号的变化规律. 研究结果显示, 质子与中子辐照均会引发暗信号退化, 其退化的规律与位移损伤剂量变化一致; 退火后, 质子辐照所致CCD暗信号大幅度恢复, 其体暗信号增加量占总暗信号增加量的比例最多为22%; 中子辐照引发的暗信号增长主要为体暗信号. 质子和中子在N⁺埋层产生相同位移损伤剂量的情况下, 两者导致的体暗信号增长量相同, 质子与中子辐照产生的体缺陷对体暗信号增长的贡献是同质的.     

CMOS有源像素传感器的中子辐照位移损伤效应

为研究空间高能粒子位移损伤效应引起的星用CMOS图像传感器性能退化,对国产CMOS有源像素传感器进行了中子辐照试验,当辐射注量达到预定注量点时,采用离线的测试方法,定量测试了器件的暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出电压、像素单元输出电压等参数的变化规律。通过对CMOS图像传感器敏感参数退化规律及其与器件工艺、结构的相关性进行分析,并根据半导体器件辐射效应理论,深入研究了器件参数退化机理。试验结果表明,暗信号和暗信号非均匀性随着中子辐照注量的增大而显著增大,饱和输出电压基本保持不变。暗信号的退化是因为位移效应在体硅内引入大量体缺陷增加了耗尽区内热载流子产生率,暗信号非均匀性的退化主要来自于器件受中子辐照后在像素与像素之间产生了大量非均匀性的体缺陷能级。另外,还在样品芯片上引出了独立的像素单元测试管脚,测试了不同积分时间下像素单元输出信号。     

质子辐射下互补金属氧化物半导体有源像素传感器暗信号退化机理研究

对某国产0.5 μm工艺制造的互补金属氧化物半导体有源像素传感器进行了10 MeV质子辐射试验, 当辐射注量达到预定注量点时, 采用离线的测试方法, 定量测试了器件暗信号的变化情况. 试验结果表明, 随着辐射注量的增加暗信号迅速增大. 采用MULASSIS (multi-layered shielding simulation software)软件计算了电离损伤剂量和位移损伤剂量, 在与γ辐射试验数据对比的基础上, 结合器件结构和工艺参数, 建立了分离质子辐射引起的电离效应和位移效应理论模型, 深入分析了器件暗信号的退化机理. 研究结果表明, 对该国产器件而言, 电离效应导致的表面暗信号和位移效应导致的体暗信号对整个器件暗信号退化的贡献大致相当.     

CMOS有源像素图像传感器的电子辐照损伤效应研究

对某国产CMOS图像传感器进行了两种不同能量的电子辐照试验,在辐照前后及退火过程中采用离线测量方法,考察了暗信号、饱和电压、光谱响应特性等参数,分析了器件的电子辐照效应损伤机理。结果表明:暗信号和暗信号非均匀性都随着辐照剂量的增加及高温退火时间的延长而增大;饱和电压在两种能量电子辐照下均出现较大幅度的减小,并在高温退火过程中有所恢复;光谱响应特性无特别明显变化。经分析,暗电流、饱和电压的变化主要由辐照诱发的氧化物陷阱电荷导致的光敏二极管耗尽层展宽和界面陷阱电荷密度增大导致产生-复合中心的增加所引起。     

静态随机存储器总剂量辐射损伤的在线与离线测试方法

以静态随机存储器为研究对象,对其在线和离线测试下的总剂量辐射损伤规律进行了研究,探寻了两种测试条件下总剂量损伤的差异并对造成差异的物理机制进行了分析和讨论,研究结果表明:由于静态随机存储器存在多种总剂量失效模式,相对于在线测试只能覆盖存储单元固定错误的一种失效模式,离线测试可覆盖多种功能失效模式;由于信号完整性对测试频率的限制,使得在线测试得到的动态功耗电流值要明显小于离线测试得到的动态功耗电流值;由于"印记效应"的存在,在线测试静态功耗电流小于离线测试中器件存储与辐照相反数据时的静态功耗电流值;在线无法测量的一些电参数,有可能先于在线可测参数而失效,这些研究结果对于静态随机存储器在星用辐射环境下的总剂量辐射损伤规律的研究和实验评估具有重要意义。     

0.5 μm工艺CMOS有源像素传感器的总剂量辐射效应

采用⁶⁰Co-γ射线对某国产0.5 μm CMOS N阱工艺CMOS有源像素传感器(APS)的整体电路和像素单元结构进行了电离总剂量辐射效应研究,重点考察了器件的饱和输出信号、像素单元输出信号、暗信号等参数的变化规律.随着辐射剂量的增大,饱和输出信号逐渐减小且与像素单元饱和输出信号变化基本一致;暗信号随总剂量的增大而显著增大.研究结果表明,0.5 μm工艺CMOS APS电离总剂量辐射效应引起参数退化的主要原因是光敏二极管周围的整个LOCOS(Local oxidation of silicon)隔离氧化层产生了大量的辐射感生电荷.     

In0.53Ga0.47As/InP量子阱与体材料的1 MeV电子束辐照光致发光谱研究

为获得对In_0.53Ga_0.47As/InP材料在电子束辐照下的光致发光谱变化规律, 开展了1 MeV电子束辐照试验, 注量为 5×10¹²-9×10¹⁴ cm^-2. 样品选取量子阱材料和体材料, 在辐照前后, 进行了光致发光谱测试, 得到了不同结构In_0.53Ga_0.47As/InP材料在1 MeV电子束辐照下的不同变化规律; 对比分析了参数退化的物理机理. 结果显示: 试验样品的光致发光峰强度随着辐照剂量增大而显著退化. 体材料最先出现快速退化, 而五层量子阱在注量达到6×10¹⁴ cm^-2时, 就已经退化至辐照前的9%. 经分析认为原因有: 1)电子束进入样品后, 与材料晶格发生能量传递, 破坏晶格完整性, 致使产生的激子数量减少, 光致发光强度降低; 电子束辐照在材料中引入缺陷, 增加了非辐射复合中心密度, 导致载流子迁移率降低. 2)量子阱的二维限制作用使载流子运动受限, 从而能够降低载流子与非辐射复合中心的复合概率; 敏感区域截面积相同条件下, 体材料比量子阱材料辐射损伤更为严重. 3)量子阱的层数越多, 则异质结界面数越多, 相应的产生的界面缺陷数量也随之增多, 辐射损伤越严重.