质子辐照电荷耦合器件诱导电荷转移效率退化的实验分析

开展了电荷耦合器件（CCD）质子辐照损伤的实验研究. 分析了质子辐照CCD后电荷转移效率的退化规律,阐述了质子辐照诱导电荷转移效率退化的损伤机理,比较了不同能量质子对电荷转移效率的损伤程度. 通过开展辐射粒子输运理论计算,分析了不同能量质子对电荷转移效率损伤差异的原因. 关键词： 电荷耦合器件 质子 辐照效应 电荷转移效率     

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.     

电荷耦合器件中子辐照诱发的位移效应

为研究电荷耦合器件空间辐照效应、参数退化机理,对国产64×64像元电荷耦合器件进行了中子辐照位移损伤效应研究。样品在中子辐照下,暗信号、暗信号非均匀性和电荷转移效率等关键性能参数退化显著。研究结果表明:暗信号的退化是由于中子辐照产生的体缺陷能级在耗尽层中充当复合-产生中心,增大了热载流子的产生率所致,而各像素单元暗信号退化的不一致性使暗信号非均匀性增大;电荷转移效率显著减小则是由于中子辐照在转移沟道中产生的体缺陷不断捕获、发射电子所引起。在整个实验过程中,饱和输出电压的退化可以忽略不计,表现出较好的抗位移损伤能力。     

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.     

不同能量质子辐照诱发子电池GaAs退化模拟研究

为了研究空间辐照诱发的子电池GaAs相关参数的退化行为,以三结太阳电池的子电池GaAs为研究对象,开展了不同辐照条件下的质子辐照模拟研究,建立了子电池GaAs结构模型,得到了不同辐照能量和注量下短路电流、开路电压、转化因子、最大功率的退化结果。利用现有实验数据,验证了不同能量质子辐照诱发的子电池GaAs的归一化最大功率随质子注量的退化。结合子电池GaAs在不同辐照条件下的最大功率退化结果,得到了归一化最大功率随位移损伤剂量的退化方程。研究结果表明:质子辐照诱发的辐照缺陷是导致子电池退化的直接原因,子电池GaAs的短路电流、开路电压、转化因子和最大功率随质子注量的增加而逐渐退化。当质子注量大于1×10~(11) cm~(-2)时,子电池GaAs的归一化电学参数的退化幅度与质子注量的对数值近似成正比,电学参数的退化随质子辐照能量的减小而逐渐增加。质子辐照诱发的子电池GaAs的外量子效率在长波长范围内的退化情况比其在短波长范围内的退化情况更严重。     

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.     

CMOS图像传感器在质子辐照下热像素的产生和变化规律

应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能,本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先,使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照,分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质;其次,再对辐照后的器件进行退火试验,分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照,3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍,但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子;辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中,热像素数量都不断减少,而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子,退火更为显著。结果表明,质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的,不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同,导致热像素具有不同特性。     

CCD质子辐照损伤效应的三维蒙特卡罗模拟

针对空间质子诱发CCD性能退化问题,开展了CCD质子辐照效应的三维蒙特卡罗模拟研究。采用三维蒙特卡罗软件Geant4模拟计算了不同能量质子在Si和SiO₂中的射程及Bragg峰,分析了不同能量质子在材料中能量沉积的过程,并将模拟结果与相关数据进行对比,模拟误差在5%以内。根据质子与材料相互作用的物理过程,选取了合适的Lindhard分离函数,添加合适的物理过程,模拟计算了不同能量质子在SiO₂中的电离能量损失和Si中的非电离能量损失,并将结果与国外相关数据进行对比。根据CCD的生产工艺参数,建立了单个像元的三维模拟模型,确定了质子辐照损伤的灵敏体积,模拟计算了不同能量质子在像元灵敏体积内的电离能量沉积与非电离能量沉积,分析了CCD不同能量质子的辐照损伤差异产生的机理。结合粒子输运计算结果与CCD质子辐照实验结果,分析了质子辐照诱发CCD辐射敏感参数退化的物理机制。     

γ射线及质子辐照导致CCD光谱响应退化的机制

光谱响应是表征CCD性能的重要参数。为了研究辐射环境对CCD光谱响应产生影响的规律及物理机制,开展了不同粒子辐照实验,对CCD光谱响应曲线的退化形式及典型波长下CCD光响应的退化情况进行了分析。辐射效应对CCD光谱响应的影响可以分为电离总剂量效应和位移效应导致的退化,本文从这两种辐射效应出发,采用⁶⁰Co-γ射线及质子两种辐照条件,研究了CCD光谱响应的退化规律。针对460 nm（蓝光）和700 nm（红光）等典型CCD光响应波长,从辐射效应导致的损伤缺陷方面分析了CCD光谱响应退化的物理机制。研究发现,在⁶⁰Co-γ射线辐照时CCD光谱响应曲线变化是由于暗信号增加导致的,而质子辐照导致CCD对700 nm波长的光响应退化明显大于460 nm波长的光响应,且10 MeV质子导致的损伤比3 MeV质子更明显,表明位移损伤缺陷易导致CCD光谱响应退化。结果表明,电离总剂量效应主要导致CCD光谱响应整体变化,而位移效应则导致不同波长光的响应差异增大。     

低能质子辐照对ZnO白漆光学性能退化的影响

 通过光致荧光光谱解谱和X射线光电子能谱（XPS）分析,研究了ZnO白漆经受能量低于200 keV低能质子辐照过程中氧空位缺陷的形成与演化过程。XPS解析表明质子辐照后晶格氧减少,光致荧光光谱解析表明锌空位减少,说明ZnO白漆中氧空位数量增加,且双电离氧空位能够捕获价带中的电子转变为单电离氧空位,使单电离氧空位逐渐成为辐照产生的主要缺陷。质子辐照使ZnO白漆中氧空位数量增加,而氧空位易捕获电子形成色心,从而导致光学性能下降。     

CCD输出信号偏差的分析与校正

详细分析造成CCD输出信号偏差的原因．在此基础上提出一种采用二次补偿手段的校正方法，并取得了理想的校正效果。