CMOSAPS光电器件单粒子效应脉冲激光模拟实验研究

安 恒，杨生胜，苗育君，薛玉雄，曹 洲，张晨光

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

CMOSAPS光电器件单粒子效应脉冲激光模拟实验研究

安 恒，杨生胜，苗育君，薛玉雄，曹 洲，张晨光

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

CMOSAPS光电器件因低功耗、小体积的特点已成为遥感卫星成像的重要发展方向。随着半导体技术的不断进步，其单粒子效应已经成为一个影响可靠性的重要因素。针对CMOSAPS光电器件，利用实验室脉冲激光模拟单粒子效应设备模拟了重离子在APS光电器件中引起的辐射损伤，分析了CMOSAPS光电器件内部不同功能单元对单粒子效应的敏感性，获得了单粒子效应敏感参数。结果表明，CMOSAPS光电器件在空间辐射环境中会诱发单粒子翻转和单粒子锁定。研究结果为进一步分析CMOSAPS光电器件的抗辐射加固设计提供了理论支持。

CMOSAPS；单粒子效应；脉冲激光

0 引言

CMOSAPS光电器件因高速光电转换性、低功耗、体积小、质量轻以及良好的抗空间辐射特性，在遥感成像、星敏感器和太阳敏感器等卫星图像采集方面正逐步取代原有的CCD（Charge Coupled De⁃vice）光电器件，特别是在微纳型卫星等航天器成像系统应用中，CMOSAPS光电器件表现出独特优势。国外已将CMOSAPS光电器件应用于火箭、卫星、空间站以及航天飞机等重要飞行器的可视化遥测中，在卫星发射、空间交会、绕飞观测以及安全监视等方面发挥着重要作用，如欧空局（ESA）已采用CMOSAPS光电器件作为星敏感器和视频监视相机；美国轨道快车（Orbital Express）计划中，将CMOSAPS光电器件用于近距离交会对接测量的先进视频导航传感器中[1-2]。近年来，在高分卫星、对地观测卫星以及空间实验中也在逐步应用CMOS APS光电器件[3]。随着光电器件在轨运行时间的延长，空间带电粒子对其造成的辐射危害越来越严重，尤其是高能重离子辐照引起单粒子效应的频次越来越高，需要进一步分析CMOSAPS光电器件在空间带电粒子环境下的单粒子效应危害程度。基于空间重离子引起单粒子效应的原理分析，结合APS光电器件的内部结构特点和空间应用特性，利用脉冲激光模拟了单粒子效应现象，获得了APS光电器件内部不同敏感区域的单粒子效应及敏感参数。

1 试验过程

试验样品为国产CMOSAPS光电器件，开封后形貌如图1所示。器件像素间距为25μm，器件包含固定图像噪声抑制、相关双采样等电路模块，器件具有增益可变和积分时间可调等功能。

图1 CMOSAPS光电器件Fig.1 CMOSAPSphotoelectric device

光电器件的像素采用3T有源结构，如图2所示。晶体管T2把积累在光电二极管PN结上的电荷转化成电压信号（如图2所示PD节点），再把这个电压信号通过T3选通管传递到列总线（Column Bus）上去。RESET和READ作为晶体管的开关控制信号（如图3所示），由两个行移位寄存器控制[4-6]。

图2 光电器件的3T像素结构Fig.2 3T structure for pixelsof photodevice

图3 3T像素结构的工作原理Fig.3 operationalprinciplesof3T structure forpixels

试验依据CMOSAPS光电器件的结构特点，首先对脉冲激光模拟试验系统的激光束（波长1 064 nm）进行精确的聚焦定位，通过改变光路中附加的衰变器，获得一定范围能量值的入射脉冲激光对CMOS APS光电器件内部的主要功能模块（移位寄存器、Buffer区等）进行辐照。通过示波器对CMOSAPS光电器件输出波形进行监测，从而判断器件是否发生单粒子翻转现象，同时通过监测CMOS光电器件电源电流的变化情况，判断器件是否发生单粒子锁定现象。另外，针对产生单粒子效应的脉冲激光能量，采用能量渐近的方法（以特定步长逐步升高或降低脉冲激光的能量），确定了CMOSAPS光电器件发生单粒子翻转或单粒子锁定的能量阈值[7-9]。

2 试验结果分析

皮秒脉冲激光辐照CMOSAPS光电器件的移位寄存器，脉冲激光能量范围为5.72～63.5 nJ，试验中观测到了单粒子翻转和单粒子锁定现象，试验结果如表1所列。

表1 皮秒激光辐照移位寄存器的试验数据Table1 resultsof shifting register irradiated by picosecond laser

试验结果表明，激光入射到移位寄存器不同位置时，发生单粒子效应的敏感性也不同。同时也发现，光电器件移位寄存器的单粒子翻转和单粒子锁定几乎是同时发生的。

脉冲激光辐照CMOSAPS光电器件输入端Buf⁃fer区时，同样也发现单粒子翻转和单粒子锁定是同时发生的，结果如表2所示。

表2 脉冲激光辐照光电器件的输入端Buffer区Table2 resultsof buffer of photodevice irradiated by picosecond laser

结合CMOS光电器件结构特点，通过对比上述试验数据的分析，发现CMOS光电器件的单粒子效应与其他集成电路（如SRAM、CPU等）的单粒子效应具有明显的区别。表3给出了CMOS光电器件单粒子效应敏感性总结分析。

表3 CMOS光电器件单粒子效应敏感性对比Table3 sensitivenessof CMOSphotodevice

从表3中可以看出，对于移位寄存器而言，不同位置的单粒子效应敏感性差别很大，在位置1区域，发生单粒子翻转和单粒子锁定的脉冲激光能量阈值仅为5.72 nJ，而在位置2，当脉冲激光能量达到14.2 nJ，这种差别与移位寄存器的行列构成差别有关。锁定电流测试数据也表明，不同位置发生锁定后的电流大小不同，最小电流为55 mA，最大电流达到230 mA。在器件的输出和输入端Buffer区域，单粒子效应的敏感性差别不是很大。在CMOS光电器件的其他区域，也发现了单粒子翻转和单粒子锁定现象。

3 结论

通过脉冲激光模拟试验，分析了CMOSAPS光电器件内部的辐射损伤特性。试验结果表明，CMOSAPS光电器件在空间辐射环境中主要会诱发两种单粒子效应现象，即单粒子翻转（SEU）和单粒子锁定（SEL）。脉冲激光辐照光电器件的移位寄存器发现单粒子翻转和单粒子锁定几乎是同时发生的，同时在光电器件输入端Buffer区域也会出现类似的现象。另外，当激光辐照在CMOSAPS光电器件内部同一部件的不同位置，其发生单粒子翻转和单粒子锁定的能量阈值也不同，如在列寄存器区域最易发生单粒子效应，这是由于前端存在着列电荷放大器的缘故所致。

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[3]曹洲，把得东，薛玉雄，等.光电器件单粒子效应脉冲激光实验研究[J].真空与低温，2014，21（3）：132-135.

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AN INVESTIGATION ON SINGLE EVENT EFFECTSOFCMOSAPS IMAGE SENSORW ITH PULSE LASER

AN Heng，YANG Sheng-sheng，M iao Yu-jun，XUEYu-xiong，CAO Zhou，ZHANG Chen-guang
（Scienceand Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

With less energy consumption，small volume and less weight，CMOS APS is already a major development direction of imaging for remote sensing satellites. During the satellites flying on orbit，electron devices are exposed in space radiation，and degraded by space charged particles. Along with the improvement of semiconductor technology，sensibility of single event effect is more obvious，and is a key factor of reliability. Based on equipment on simulation of single event effect with pulse laser，radiation damage of CMOS APS irradiated by heavy ions is discussed. And sensibility of CMOS APS’ s different functional unit for single event effect is also analysed，obtaining sensitive parameter of single event effect. The result could be used for the design of radiation hardening for CMOS APS image sensor.

CMOS APS；single event effect；pulse laser

V416.5；TN248

A

1006-7086（2017）04-0223-03

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.04.007

2017-02-28

国家自然科学基金项目（No.11375078）

安恒（1982-），男，甘肃定西人，硕士，工程师，从事空间辐射效应及新型有效载荷技术工作。E-mail：ahllbl@126.com。