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.     

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.     

不同能量质子辐照诱发CCD图像传感器性能退化实验与分析

为了评估电荷耦合器件(CCD)在空间科学探测以及航天卫星成像等空间辐射环境中应用的可靠性,揭示了CCD转换增益以及线性饱和输出等重要性能参数的退化机制及其实验规律。辐照实验在质子回旋加速器上进行,质子能量为60 MeV和100 MeV,质子注量分别为1×10¹⁰ cm^-2、5×10¹⁰ cm^-2和1×10¹¹ cm^-2。将CCD的主要性能参数在两个不同能量质子辐照后进行比较,实验结果表明,CCD的性能参数对质子辐照产生的电离损伤和位移损伤非常敏感,辐照后转换增益和线性饱和输出明显下降,且暗信号尖峰和暗电流明显增大。此外,分析了质子辐照CCD诱发的电离损伤和位移损伤,给出了CCD性能参数退化与质子辐照能量和注量的变化关系曲线。     

辐照损伤对CCD暗电流和电荷转移效率的影响

研究了伽马射线辐照对CCD敏感参数的影响,获取了CCD器件暗电流和电荷转移效率参数随辐照剂量的变化规律,辐照试验结果表明,暗电流参数的增长和电荷转移效率参数的衰减与辐照剂量近似成线性关系。     

辐照损伤对CCD暗电流和电荷转移效率的影响

研究了伽马射线辐照对CCD敏感参数的影响,获取了CCD器件暗电流和电荷转移效率参数随辐照剂量的变化规律,辐照试验结果表明,暗电流参数的增长和电荷转移效率参数的衰减与辐照剂量近似成线性关系。     

辐照损伤对CCD暗电流和电荷转移效率的影响

研究了伽马射线辐照对CCD敏感参数的影响,获取了CCD器件暗电流和电荷转移效率参数随辐照剂量的变化规律,辐照试验结果表明,暗电流参数的增长和电荷转移效率参数的衰减与辐照剂量近似成线性关系。     

辐照损伤对CCD暗电流和电荷转移效率的影响

研究了伽马射线辐照对CCD敏感参数的影响，获取了CCD器件暗电流和电荷转移效率参数随辐照剂量的变化规律，辐照试验结果表明，暗电流参数的增长和电荷转移效率参数的衰减与辐照剂量近似成线性关系。     

电荷耦合器件的γ辐照剂量率效应研究

对电荷耦合器件进行了不同剂量率的γ辐照实验,通过多种参数的测试探讨了剂量率与电荷耦合器件性能退化的关系,并对损伤的物理机理进行分析。辐照和退火结果表明:暗信号和暗信号非均匀性是γ辐照的敏感参数,电荷转移效率和饱和输出电压随剂量累积有缓慢下降的趋势;暗场像素灰度值整体抬升,像元之间的差异显著增加;电荷耦合器件的暗信号增量与剂量率呈负相关性,器件存在潜在的低剂量率损伤增强效应。分析认为,剂量率效应是由界面态和氧化物陷阱电荷竞争导致的。通过电子-空穴对复合模型、质子输运模型和界面态形成对机理进行了解释。     

质子在碳化硅中不同深度的非电离能量损失

利用蒙特卡罗方法,应用Geant4程序,模拟计算了1—500 MeV质子在碳化硅材料中的非电离能量损失,并研究了不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献.模拟结果表明:在相同质子辐照下,碳化硅材料中的非电离能量损失要比硅、镓等半导体材料更小,说明碳化硅器件的稳定性更好,抗位移损伤能力更强;当靶材料足够厚时,在不同能量质子辐照下,材料损伤最严重的区域会随着质子入射能量的增加从质子射程末端逐渐前移到材料表面;不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献表明,在低能质子辐照下,28Si和~(12)C是位移损伤的主要原因,而随着质子能量的增加,通过核反应等过程产生的次级离子迅速增多,并对材料浅层造成严重的位移损伤.     

质子辐射损伤对单结GaAs/Ge太阳电池暗特性参数的影响

基于p-n结暗特性双指数模型,对经质子辐射后的单结GaAs/Ge太阳电池的暗特性I-V曲线进行数值拟合,确定了单结GaAs/Ge太阳电池在辐射前后的四个暗特性特征参数,即串联电阻R_s、并联电阻R_(sh)、扩散电流I_(s1)和复合电流I_(s2).研究结果表明,质子辐射后单结GaAs/Ge太阳电池的R_s,R_(sh),I_(s1)和I_(s2)四个暗特性参数均发生显著变化.经低能质子辐射后,单结GaAs/Ge太阳电池的R_(sh)随位移损伤剂量的增加而减小,而R_s,I_(s1)和I_(s2)三个参数随位移损伤剂量的增加而增大,其中串联电阻随位移损伤剂量线性增加而与辐射质子能量无关.理论分析表明,上述参数的变化与质子辐射损伤区域分布有关.基区和发射区的损伤主要引起单结电池串联电阻和扩散电流的增加;结区的损伤导致并联电阻减小,复合电流增大.     

多量子阱激光二极管质子辐射效应及其退火特性

 研究5和2 MeV质子对法布里-珀罗（FP）腔结构及分布反馈（DFB）结构的多量子阱激光二极管的辐射效应,结果显示：在5×10¹²～5×10¹³ cm^-2质子注量范围内,随着注量的增大,激光二极管阈值电流逐渐增大,电流-电压特性的低压区电流渐渐增大。由60Coγ总剂量实验结果推断:质子对实验器件的损伤源于质子位移效应。采用Trim程序的模拟结果表明：在2 MeV质子射程以内,2 MeV质子要比5 MeV质子产生的空位数多。这使得相同辐照注量下,2 MeV质子要比5 MeV质子导致的阈值电流增大更多,损伤更为严重。激光二极管辐射损伤存在着正向偏置退火效应,FP和DFB结构的二极管具有相似的加电退火规律,均可拟合成指数衰减形式,退火曲线可以分成退火常数不同的几段进行拟合。正向偏置退火效应使得辐照期间,处于加电状态的激光二极管比处于短路状态的激光二极管退化程度有所减弱。     

300 eV—1GeV质子在硅中非电离能损的计算

非电离能损(NIEL)引起的位移损伤是导致空间辐射环境中新型光电器件失效的主要因素.引起质子在硅中NIEL的作用机理有库仑相互作用和核相互作用,质子能量范围从位移损伤阈能到1 GeV.当质子能量位于低能区时,库仑相互作用占主导地位,采用解析方法和TRIM程序计算NIEL;当质子能量位于高能区时,NIEL主要来自质子与靶原子核的弹性和非弹性相互作用,使用MCNPX/HTAPE3X进行模拟仿真计算由核反应引起的NIEL.实现了能量范围为300 eV—1 GeV的质子入射硅时NIEL的计算.计算结果表明,MCNPX/HTAPE3X可用于计算高能质子在材料中产生的反冲核所引起的NIEL,结合解析方法和TRIM程序可计算得到由于库仑相互作用引起的NIEL.     

Correlation between Displacement Damage Dose and Proton Irradiation Effects on GaInP/GaAs/Ge Space Solar Cells

The irradiation effects of 0.28-2.80 MeV protons on GalnP/GaAs/Ge solar cells have been analysed, and then correlated with the displacement damage dose. The results of I-V and spectral response measurements, combined with the SRIM-derived vacancies produced rates, show that the degradation of the solar cells is largely determined by the displacement damage of the GaAs sub-cell. Thus the SRIM-derived NIEL values for protons in the GaAs sub-cell are used to calculate the displacement damage dose. It is shown that the irradiation effects of the solar cells caused by protons at different energies are correlated well with the aid of displacement damage dose.     

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.     

Analysis of proton and γ-ray radiation effects on CMOS active pixel sensors

Radiation effects on complementary metal-oxide-semiconductor(CMOS) active pixel sensors(APS) induced by proton and γ-ray are presented. The samples are manufactured with the standards of 0.35 μm CMOS technology. Two samples have been irradiated un-biased by 23 MeV protons with fluences of 1.43 × 10~(11) protons/cm~2 and 2.14 × 10~(11) protons/cm~2,respectively, while another sample has been exposed un-biased to 65 krad(Si) ~(60)Co γ-ray. The influences of radiation on the dark current, fixed-pattern noise under illumination, quantum efficiency, and conversion gain of the samples are investigated. The dark current, which increases drastically, is obtained by the theory based on thermal generation and the trap induced upon the irradiation. Both γ-ray and proton irradiation increase the non-uniformity of the signal, but the nonuniformity induced by protons is even worse. The degradation mechanisms of CMOS APS image sensors are analyzed,especially for the interaction induced by proton displacement damage and total ion dose(TID) damage.