60Co-γ射线辐照CMOS有源像素传感器诱发暗信号退化的 - 物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 5 (2014) 056102 Co- 射线辐照CMOS有源像素传感器诱发暗信 号退化的机理研究∗ 汪波 李豫东 郭旗 刘昌举 文林 玛丽娅 孙静 王海娇 丛忠超 马武英 1)(中国科学院新疆理化技术研究所, 乌鲁木齐 830011) 2)(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) 3)(新疆电子信息材料与器件重点实验室, 乌鲁木齐 830011) 4)( 中国科学院大学, 北京 100049) 5)(重庆光电技术研究所, 重庆 400060) ( 2013 年10 月8 日收到; 2013 年11 月13 日收到修改稿) 对某国产0.5 m CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor, 互补金属氧化物半导体) N 阱工 艺CMOS 有源像素传感器的电离总剂量效应进行了研究, 通过 Co- 射线辐照试验, 着重分析了对辐射最敏 感的暗信号和暗信号非均匀性随总剂量退化的物理机理. 实验发现, 随着辐照剂量的增加, 暗信号和暗信号 非均匀性显著退化, 并且静态偏置条件下器件的辐射损伤最大. 暗信号退化的主要原因是光电二极管pn 结和 复位晶体管源端N/Psub 结表面边界周围的SiO 产生了大量的界面态; 暗信号非均匀性显著退化是由于光 电二极管的暗信号增大引起. 上述工作可为深入研究CMOS 有源像素传感器的抗辐射加固及其辐射损伤评 估提供参考. 关键词: CMOS 有源像素传感器, 暗信号, Co- 射线, 损伤机理 PACS: 61.80.Ed, 61.82.Fk, 61.80.–x, 07.85.–m DOI: 10.7498/aps.63.056102 使得CMOS APS 在空间光学载荷中有着良好的应 1 引 言 用前景. 宇宙空间存在银河宇宙线粒子、太阳宇宙线粒 随着小卫星以及微纳卫星的发展, 对其姿态 子和被地磁场捕获的高能带电粒子(主要为质子、 控制的精度要求越来越高, 基于电荷耦合器件 电子), 形成了天然空间辐射环境711 , 卫星及航 (charge-coupled device, CCD) 的星敏感器因重量、 功耗方面的原因难以应用在微纳卫星上12 . C- 天器必然要受辐射环境影响, 辐射损伤诱发CMOS APS 暗信号增大, 导致成像质量变差, 严重的会使 MOS 有源像素传感器(CMOS active pixel sensor, CMOS APS) 以其集成度高、体积小、功耗低等优 CMOS APS 功能失效. 为了实现器件在恶劣空间 点34 , 成为在轨星敏感器设计中CCD 的有力竞 环境下的应用, 有必要对器件进行辐射效应研究. 争对手. 虽然目前CMOS APS 的动态范围、灵敏 国外较早开展了CMOS APS 的辐射效应模拟实验 度及噪声等指标