文 林, 李豫東, 郭 旗, 汪朝敏

( 1. 中國科學(xué)院 新疆理化技術(shù)研究所, 中國科學(xué)院特殊環(huán)境功能材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆電子信息材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 新疆 烏魯木齊 830011; 2. 重慶光電技術(shù)研究所, 重慶 400060)

1 引 言

CCD是最常用的空間固態(tài)成像器件之一[1-4]，在空間對地成像和天文學(xué)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。CCD工作原理為光入射到光敏區(qū)，與半導(dǎo)體材料發(fā)生光電效應(yīng)產(chǎn)生光電子，經(jīng)過轉(zhuǎn)移后進(jìn)行輸出[5]。由于產(chǎn)生光電效應(yīng)的區(qū)域在CCD光敏區(qū)柵氧下，因此從光信號到達(dá)CCD表面到其通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為有用的電荷信號，需要克服表面材料的反射，同時(shí)由于不同波長光在體Si內(nèi)的折射率和傳播不同，導(dǎo)致其有效吸收深度不同，因此CCD對不同波長光的響應(yīng)率也不同，即存在CCD的光譜響應(yīng)率分布。影響CCD光譜響應(yīng)的因素有很多，包括表面透射率、界面折射率和光敏區(qū)耗盡層深度、光吸收深度、體Si內(nèi)的缺陷分布等，其中輻射效應(yīng)主要通過界面態(tài)影響耗盡層深度和位移缺陷影響體Si內(nèi)的缺陷分布[6-9]，導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)性能退化。目前國內(nèi)外對CCD輻射效應(yīng)的研究主要關(guān)注其暗電流和電荷轉(zhuǎn)移效率的退化規(guī)律和輻射損傷機(jī)理[4,8-13]，在所調(diào)研的近年CCD輻射效應(yīng)研究文獻(xiàn)中，尚沒有見到對光譜響應(yīng)的研究報(bào)道。但根據(jù)CCD的工作原理，其對不同波長的光產(chǎn)生響應(yīng)，若輻射導(dǎo)致光譜響應(yīng)退化，則CCD的成像性能會相應(yīng)地發(fā)生退化，因此輻射導(dǎo)致的CCD光譜響應(yīng)退化是CCD輻射效應(yīng)需要關(guān)注的重要方面。

對于應(yīng)用在空間任務(wù)中的CCD，其面臨的輻射環(huán)境非常復(fù)雜[14-15]?？臻g輻射環(huán)境導(dǎo)致的CCD性能退化主要是電離輻射效應(yīng)、位移效應(yīng)和單粒子效應(yīng)[16-18]，對于長期在空間輻射環(huán)境工作的CCD來說，單粒子效應(yīng)可以通過斷電、電路冗余設(shè)計(jì)進(jìn)行防護(hù)，而累積輻射效應(yīng)(電離輻射效應(yīng)和位移效應(yīng))是導(dǎo)致其性能隨工作時(shí)間逐漸退化的原因，因此是輻射效應(yīng)研究的重點(diǎn)。本文主要對CCD在空間輻射環(huán)境中，由電離輻射效應(yīng)和位移效應(yīng)導(dǎo)致的光譜響應(yīng)退化問題，從CCD光譜響應(yīng)的定義、測試方法出發(fā)，研究光譜響應(yīng)退化帶來的CCD性能損失問題，分別對60Co-γ射線和質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)退化的規(guī)律、原因和微觀機(jī)理進(jìn)行描述。

CCD光譜響應(yīng)是指在規(guī)定波長或光譜范圍的光照下，器件單位曝光量(J/cm2)的輸出信號電壓，即對不同入射波長的響應(yīng)度。響應(yīng)度即單位入射光強(qiáng)下器件輸出的電壓值，通常用R(λ)或R表示。CCD光譜響應(yīng)反映了器件的靈敏度和響應(yīng)范圍，其大小直接決定了器件的性能，是器件作為光電圖像傳感器的核心指標(biāo)。輻照可在半導(dǎo)體材料中引入缺陷能級，使CCD的發(fā)光、光響應(yīng)性能產(chǎn)生變化，所以通過器件響應(yīng)度的測試，可研究器件內(nèi)部產(chǎn)生缺陷能級的情況。而CCD光譜響應(yīng)對應(yīng)著光生電荷的產(chǎn)生和收集過程，光譜響應(yīng)的退化導(dǎo)致CCD成像性能退化，對應(yīng)不同波長光的分辨率下降。

2 輻照試驗(yàn)與測試

2.1 輻照試驗(yàn)樣品及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)樣品為國產(chǎn)埋溝結(jié)構(gòu)CCD，器件規(guī)模為64×64(像元)，像元尺寸為48μm×48μm。由于在進(jìn)行測試時(shí)需要為光斑尋找固定位置的CCD像元，因此光譜響應(yīng)測試時(shí)間較長，為了保證試驗(yàn)的連續(xù)性(在一天之內(nèi)完成)，試驗(yàn)中適當(dāng)減少移位測試點(diǎn)。具體采用的試驗(yàn)條件為：

對于60Co-γ射線輻照，根據(jù)前面其他參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，選取靜態(tài)偏置條件為主要的CCD輻照偏置，同時(shí)增加一組零偏器件以進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋容^。輻照后進(jìn)行常溫退火試驗(yàn)。對于質(zhì)子輻照，根據(jù)前面其他參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，選取較方便的零偏條件作為主要的CCD輻照偏置。采用的質(zhì)子能量為常用的3MeV和10MeV。由于質(zhì)子輻照試驗(yàn)現(xiàn)場(北京大學(xué)重離子物理實(shí)驗(yàn)室)沒有可進(jìn)行CCD光譜響應(yīng)測試的設(shè)備，因此光譜響應(yīng)測試進(jìn)行了異地測試。國外研究顯示，質(zhì)子輻照在CCD內(nèi)產(chǎn)生的位移損傷在室溫放置1星期左右之后將趨于穩(wěn)定，因此輻照后的第一次光譜測試選擇在輻照后168小時(shí)左右進(jìn)行，之后繼續(xù)進(jìn)行100℃和150℃高溫退火實(shí)驗(yàn)。

2.2 光譜響應(yīng)測試

在給定光譜范圍的光照下，當(dāng)入射光輻射強(qiáng)度為E時(shí)，器件的平均輸出信號是Vo，器件的響應(yīng)率由下式確定:

(1)

式中，R為器件的響應(yīng)率，單位：V·cm2·μJ-1；Vo為CCD的輸出電壓，單位：mV；T為CCD的積分時(shí)間，單位：ms；E為入射的光輻射，單位：mW/m2。

測試時(shí)，鹵鎢燈發(fā)出的光通過光柵、平行光管到達(dá)被測試的CCD表面。通過調(diào)節(jié)光柵，依次讓波長為400～1100nm的光通過平行光管到達(dá)CCD表面，測試CCD成像區(qū)固定像元區(qū)的灰度值平均值，若不考慮歸一化問題，則該值可直接讀取為CCD對光譜的響應(yīng)。

3 電荷耦合器件光譜響應(yīng)輻照損傷機(jī)理

3.1 60Co-γ射線輻照導(dǎo)致光譜響應(yīng)退化的損傷機(jī)理

根據(jù)前面的分析，60Co-γ射線輻照形成的缺陷對CCD性能的影響主要是：在光敏區(qū)和轉(zhuǎn)移區(qū)內(nèi)Si-SiO2界面態(tài)的影響，以及輸出電路內(nèi)氧化物陷阱電荷和界面態(tài)的影響。對于CCD光譜響應(yīng)來說，由于主要的影響因素出現(xiàn)在光電效應(yīng)產(chǎn)生信號電荷的過程中，一旦信號電荷包形成，則在CCD內(nèi)部完成的是電荷包的轉(zhuǎn)移和讀出，與CCD吸收光的光譜沒有關(guān)系，因此在60Co-γ射線輻照時(shí)，對CCD光譜響應(yīng)有影響的是光敏區(qū)MOS結(jié)構(gòu)內(nèi)由于輻照而產(chǎn)生的界面態(tài)。

根據(jù)電離損傷機(jī)理[19-20]，界面態(tài)對CCD光敏區(qū)光譜響應(yīng)的方式為：由于Si-SiO2界面處帶正電的界面態(tài)大量積累，影響像元MOS結(jié)構(gòu)柵極電壓在體Si內(nèi)形成的電場分布，導(dǎo)致耗盡區(qū)深度增大，因此CCD對紅光的響應(yīng)增加。同時(shí)由于界面態(tài)的積累，埋溝CCD像元區(qū)n型埋層的厚度降低，即體Si內(nèi)發(fā)生光電效應(yīng)的區(qū)域向界面處延伸，導(dǎo)致穿透能力弱的短波長的藍(lán)光吸收能力增加，即藍(lán)光響應(yīng)增加。對于波長在藍(lán)光和紅光之間的其他波長的光，影響較小。同時(shí)，由于界面態(tài)感生的電場與CCD像元MOS結(jié)構(gòu)柵極電壓電場的疊加，界面態(tài)對所有波長的光產(chǎn)生的光電信號均產(chǎn)生影響，這一影響與界面態(tài)對耗盡區(qū)的影響疊加，產(chǎn)生的結(jié)果是：盡管紅光和藍(lán)光的響應(yīng)變化更大，但整體來說60Co-γ射線輻照對CCD光譜響應(yīng)的影響對所有波長的光來說近似是均勻的，即光譜響應(yīng)曲線出現(xiàn)的變化是整體向上，或向下移動。圖1和圖2中零偏和靜態(tài)偏置條件下60Co-γ射線輻照導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)的變化結(jié)果印證了上述分析。

圖1和圖2中曲線的相同之處是60Co-γ射線輻照及常溫退火后CCD光譜響應(yīng)曲線均出現(xiàn)整體、均衡的變化。但兩條曲線在常溫退火期間表現(xiàn)出了不同之處：零偏CCD光譜響應(yīng)在常溫退火期間恢復(fù)到更接近初始值，而靜態(tài)偏置CCD光譜響應(yīng)在常溫退火期間表現(xiàn)出了后損傷效應(yīng)。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是界面態(tài)常溫退火行為的差異。對于零偏CCD，輻照后沒有新的界面態(tài)生成，因此輻照時(shí)產(chǎn)生的界面態(tài)逐漸退火；而對于靜態(tài)偏置CCD，由于輻照后常溫退火期間CCD仍施加靜態(tài)偏置，正電壓偏置形成的電場引導(dǎo)SiO2內(nèi)的氧化物陷阱向界面處移動，形成新的界面態(tài)，即

圖1 60Co-γ射線輻照前后零偏CCD的光譜響應(yīng)變化

Fig.1Variation of spectral response of unbiased CCD with60Co-γ irradiation

圖260Co-γ射線輻照前后靜態(tài)偏置CCD的光譜響應(yīng)變化

Fig.2Variation of spectral response of static biased CCD with60Co-γ irradiation

界面態(tài)在輻照后常溫退火期間繼續(xù)生長，導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)進(jìn)一步退化，即出現(xiàn)了后損傷效應(yīng)。

前面的分析指出，60Co-γ射線輻照導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)整體退化，圖3和圖4分別對波長為460nm的藍(lán)光和波長為700nm的紅光在60Co-γ射線輻照期間的響應(yīng)率進(jìn)行了曲線擬合，從兩幅圖中可以看出，不論輻照時(shí)采用何種偏置條件(靜態(tài)偏置或零偏)，CCD對藍(lán)光和紅光的響應(yīng)率退化均是線性的，且對兩種波長光的響應(yīng)率退化線性曲線的斜率均非常接近。表1列出了上述試驗(yàn)結(jié)果中，輻照后和室溫退火2h后兩個(gè)試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)上，CCD對藍(lán)光和紅光的響應(yīng)率變化的比值，可以看出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上CCD對不同波長光的響應(yīng)差異(“藍(lán)光/紅光”的比值)是一致的。

圖3 60Co-γ射線輻照前后CCD藍(lán)光響應(yīng)的變化

Fig.3Variation of blue light response of CCD with60Co-γ irradiation

圖4 60Co-γ射線輻照前后CCD紅光響應(yīng)的變化

Fig.4Variation of red light response of CCD with60Co-γ irradiation

表1 60Co-γ射線輻照前后CCD光譜響應(yīng)的變化率

上述分析描述了60Co-γ射線輻照對CCD光譜響應(yīng)的影響，從最終分析結(jié)果來看，類似于60Co-γ射線輻照對CCD暗信號的影響，即影響了信號電荷包的大小，對光譜響應(yīng)的實(shí)質(zhì)——不同波長光的響應(yīng)率差異——沒有明顯的影響。

3.2 質(zhì)子輻照導(dǎo)致光譜響應(yīng)退化的損傷機(jī)理

質(zhì)子輻射在CCD內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生電離損傷和位移損傷，電離損傷引起的CCD光譜響應(yīng)退化與60Co-γ射線輻照相似，位移損傷則引起更多的光譜響應(yīng)退化。位移損傷對光譜響應(yīng)的作用機(jī)理與質(zhì)子輻照導(dǎo)致CCD暗信號非均勻性退化的機(jī)理相似，是由于位移損傷導(dǎo)致的CCD像元-像元內(nèi)晶格缺陷的差別導(dǎo)致的。由于位移損傷受輻照偏置的影響不明顯，因此不同偏置條件下質(zhì)子輻照均導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)明顯退化，如圖5和圖6。圖中顯示的輻照后室溫退火143/136 h的曲線代表了質(zhì)子輻照后數(shù)據(jù)。由于質(zhì)子輻照試驗(yàn)中沒有可以對CCD進(jìn)行光譜響應(yīng)測試的設(shè)備，因此光譜響應(yīng)曲線在質(zhì)子輻照試驗(yàn)完成，返回中科院新疆理化所后進(jìn)行測試，從輻照完成到進(jìn)行測試中間間隔近1星期。根據(jù)國外文獻(xiàn)報(bào)道，質(zhì)子輻照產(chǎn)生的位移損傷缺陷在輻照后將發(fā)生衰退，這是由于有些位移損傷缺陷是不穩(wěn)定的。一般輻照后1星期左右進(jìn)行測試獲得的數(shù)據(jù)是可靠的。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，參考國外研究經(jīng)驗(yàn)，取輻照后室溫退火143/136 h的曲線代表質(zhì)子輻照后的數(shù)據(jù)。在室溫退火后光譜響應(yīng)測試完成后，立即依次進(jìn)行100 ℃和150 ℃的高溫退火實(shí)驗(yàn)。

圖5 3 MeV質(zhì)子輻照前后靜態(tài)偏置CCD的光譜響應(yīng)變化

Fig.5 Variation of spectral response of static biased CCD with 3 MeV proton irradiation

Fig.6 Variation of spectral response of unbiased CCD with 3 MeV proton irradiation

質(zhì)子輻照導(dǎo)致的CCD光譜響應(yīng)受輻照時(shí)的偏置影響不明顯，但對能量的依賴非常明顯。比較圖6和圖7，可以看出，對于波長為460 nm的藍(lán)光，3 MeV質(zhì)子入射導(dǎo)致的響應(yīng)變化明顯大于10 MeV質(zhì)子，即3 MeV質(zhì)子輻射產(chǎn)生了更多的有效缺陷。為了更直接地比較不同能量質(zhì)子輻射導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)的變化，表2中列出了試驗(yàn)中室溫放置約150 h、100 ℃高溫退火67 h和150 ℃高溫退火25 h等幾個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，CCD光譜響應(yīng)在460 nm的藍(lán)光和波長為700 nm的紅光處的變化，可以看出10 MeV質(zhì)子導(dǎo)致的CCD對不同波長光的光譜響應(yīng)差異(“藍(lán)光/紅光”的比值)遠(yuǎn)大于3 MeV質(zhì)子。

圖7 10 MeV質(zhì)子輻照前后零偏CCD的光譜響應(yīng)變化

Fig.7 Variation of spectral response of unbiased CCD with 10 MeV proton irradiation

表2 質(zhì)子輻照前后CCD光譜響應(yīng)的變化率

從表2中還可以看出，高溫退火后CCD對不同波長光的光譜響應(yīng)差異更大，這是由于部分缺陷在高溫退火時(shí)被復(fù)合，剩下的位移損傷缺陷中團(tuán)簇型的晶格缺陷占有的比例更大，因此導(dǎo)致缺陷的離散型更明顯，因此不同波長光的光譜響應(yīng)差異更明顯。

4 結(jié) 論

本文通過60Co-γ射線輻照試驗(yàn)和質(zhì)子輻照試驗(yàn)，研究了CCD光譜響應(yīng)受輻射損傷的影響。由于沒有輻射導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)退化的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，因此相關(guān)損傷理論分析以電離輻射損傷和位移損傷作為基礎(chǔ)。

在60Co-γ射線輻照時(shí)，CCD光譜響應(yīng)出現(xiàn)了明顯的退化，且退化程度與采用的輻照偏置存在著與暗信號性能類似的依賴關(guān)系，靜態(tài)偏置條件下光譜響應(yīng)退化更明顯。在質(zhì)子輻照時(shí)，3 MeV和10 MeV質(zhì)子均導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)明顯退化，且其退化規(guī)律與暗信號特性退化類似。由于對CCD光譜響應(yīng)退化來說更關(guān)心的是不同波長光響應(yīng)的差異，因此基于輻照試驗(yàn)結(jié)果，對460 nm的藍(lán)光和700 nm的紅光輻照期間的退化情況進(jìn)行了比較。通過對比，發(fā)現(xiàn)60Co-γ射線輻照時(shí)，藍(lán)光和紅光的響應(yīng)退化率保持一致，即60Co-γ射線輻照導(dǎo)致CCD光譜響應(yīng)退化，但是對不同波長的光，響應(yīng)退化程度相同，沒有產(chǎn)生光譜響應(yīng)差異性退化問題。在質(zhì)子輻照時(shí)，藍(lán)光和紅光的響應(yīng)率退化顯示出顯著的差異，且10 MeV質(zhì)子導(dǎo)致的光譜響應(yīng)差異性比3 MeV質(zhì)子更明顯。

[1] GRANT C E, BAUTZ M W, KISSEL S M,etal.. Long-term trends in radiation damage of chandra X-ray CCDs [C].Optics&Photonics2005.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,SanDiego,USA, 2005:58980Q-1-11.

[2] SEABROKE G, HOLLAND A. Modelling radiation damage to ESA’s Gaia satellite CCDs [J].SPIE, 2008, 7021(3):70211P-1-12.

[3] PROD’HOMME T, HOLL B, LINDEGREN L,etal.. The impact of CCD radiation damage on Gaia astrometry-Ⅱ. Effect of image location errors on the astrometric solution [J].MonthlyNoticesRoyalAstronom.Soc., 2012, 422(4):2786-2807.

[4] VAN DYKE D W. Effects of CTE degradation on cycle 18 observations with the STIS CCD [S]. Instrument Science Report STIS 2011-02(v2), 2011.

[5] 翁雪濤, 唐遵烈, 周建勇, 等. 1 024×1 024全幀CCD器件 [J]. 半導(dǎo)體光電, 2011, 32(4):459-461.

WENG X T, TANG Z L, ZHOU J Y,etal.. 1 024×1 024 full frame CCD devices [J].Semicond.Optoelectron., 2011, 32(4):459-461. (in Chinese)

[6] HOPKINSON G R, SHORT A, VETEL C,etal.. Radiation effects on astrometric CCDs at low operating temperatures [J].IEEETrans.Nuc.Sci., 2005, 52(6):2664-2671.

[7] SROUR J R, LO D H. Universal damage factor for radiation-induced dark current in silicon devices [J].IEEETrans.Nuc.Sci., 2000, 47(6):2451-2459.

[8] HOPKINS I H, HOPKINSON G R, JOHLANDER B. Proton-induced charge transfer degradation in CCDs for near-room temperature applications [J].IEEETrans.Nuc.Sci., 1994, 41(6):1984-1991.

[9] WANG Z, MA W, HUANG S,etal.. Characterization of total ionizing dose damage in COTS pinned photodiode CMOS image sensors [J].AIPAdv., 2016, 6(3):077108.

[10] 鐘玉杰, 周玉紅, 雷仁方, 等. γ輻照對1 024×1 152可見光CCD的影響研究 [J]. 半導(dǎo)體光電, 2010, 31(6):846-848.

ZHONG Y J, ZHOU Y H, LEI R F,etal.. Effects of γ irradiation on 1 024×1 152 CCD [J].Semicond.Optoelectron., 2010, 31(6):846-848. (in Chinese)

[11] ANDERSON J, BEDIN L R. An empirical pixel-based correction for imperfect CTE. I.HST’s advanced camera for surveys [J].Public.Astronom.Soc.Pacific, 2010, 122(895):1035-1064.

[12] WANG Z, CHEN W, HUANG S,etal.. Degradation of saturation output of the COTS array charge-coupled devices induced by total dose radiation damage [J].Nuc.Instrum.MethodsPhys.Res., 2014, 751(6):31-35.

[13] HOU R, ZHAO S, YAO Z,etal.. Analysis of charge transfer inefficiency of CCD equipment under proton radiation [C].InternationalConferenceonElectronicsandOptoelectronics，IEEE,Taiyuan,China, 2011:V2-272-V2-274.

[14] KONRADI A, HARDY A C, ATWELL W.RadiationEnvironmentModelsandTheAtmosphericCutoff[M]. Paris: Rousseau on Education, 2015:618-624.

[15] HALL D J, BUSH N, MURRAY N,etal.. Challenges in photon-starved space astronomy in a harsh radiation environment using CCDs [C].OpticsforEUV,X-Ray,andGamma-RayAstronomyⅦ,Montreal,Canada, 2015:96020U.

[16] BAGGETT S M, SOSEY M. HST/WFC3: understanding and mitigating radiation damage effects in the CCD detectors [J].SPIE, 2016, 55(10):99045D.

[17] MARCELOT O, GOIFFON V, RAINE M,etal.. Radiation effects in CCD on CMOS devices: first analysis of TID and DDD effects [J].IEEETrans.Nuc.Sci., 2015, 62(6):2965-2970.

[18] VERHOEVE P, PROD’HOMME T, OOSTERBROEK T,etal.. Optical and dark characterization of the PLATO CCD at ESA [J].SPIE, 2016, 9915:99150Z.

[19] NETZER R, AVERY K, KEMP W,etal.. Total ionizing dose effects on commercial electronics for cube sats in low earth orbits [C].RadiationEffectsDataWorkshop,IEEE,Boston,USA, 2015:1-7.

[20] AHMED N, LU G N, ROY F. Total ionizing dose effects on quantum efficiency and dark current of cmos image sensors with deep-trench-isolation [J].Sens.Lett., 2015, 13(7):539-542.