CMOS图像传感器辐射损伤研究

邹 旸,黄景昊

(1.中国核工业建设集团 科技与信息化部,北京 100083; 2.海南核电有限公司 设备管理处,海口 572700)

CMOS图像传感器辐射损伤研究

邹 旸1,黄景昊2

(1.中国核工业建设集团 科技与信息化部,北京 100083; 2.海南核电有限公司 设备管理处,海口 572700)

考虑γ射线辐射场对视频监控系统中CMOS图像传感器的辐照失效损伤,通过机理分析与辐照实验,研究图像传感器的辐射损伤效应以及对其性能参数的影响.设计辐照实验,选用同种工艺不同厂商生产的几类CMOS图像传感器,研究γ射线对CMOS图像传感器的损伤效应.实验结果表明,γ射线总剂量效应导致暗电流增大,从而使像素灰度值增大;γ射线瞬态电离效应在CMOS图像传感器像素阵列中形成雪花状的随机正向脉冲颗粒噪声,噪点的数量与剂量率相关; 彩色图像受到入射γ光子的干扰相较于暗图像较弱; 并且当累积剂量低于88.4Gy,剂量率低于58.3Gy/h时,不会产生坏点; 光照充足时γ射线电离辐射对传感器分辨率、色度及暗电流的影响并不明显.

CMOS图像传感器; 辐照实验; 辐射损伤

Abstract: We consider the radiation damage of CMOS image sensor in video monitoring system,and analyze the main factors of radiation damage effect on sensors and the impact on it performance parameter through the theoretical analysis of preliminary experimental study.A radiation experiment was designed to study the damage effect of gamma rays on CMOS image sensor.Several kinds of CMOS image sensors produced by different manufacturers were selected for the experiment.The experimental results show that the gamma ray total dose effect leads to the increase of the dark current,so that the pixel value increases.Gamma-ray transient ionization effect forms a snowflake random positive particles pulse noise in CMOS image sensor pixel array,the number of noise related to the dose rate.The interference of incident gamma photons for color image is weaker than for dark image.When the cumulative dose is lower than 88.4Gy (Si),the dose rate is lower than the 58.3Gy/h (Si),it won't produce bad points.When light is adequate,the gamma ray radiation effect on the sensor resolution,color and dark current are not obviously.

Key words: CMOS image sensor,irradiation experiment,irradiation damage

0 引言

采用CMOS图像传感器对乏燃料剪切机安全状态信息进行实时在线监测,能及早发现设备非正常状态,提供故障预报,从而提高系统的安全稳定性,减少或避免设备故障带来的损失.乏燃料剪切热室内源项条件复杂,CMOS图像传感器辐射损伤主要考虑γ射线及热中子复合辐射场的损伤.目前,国内尚缺乏一套自动化水平高、抗辐射能力强的视频监控系统.因此,有必要针对乏燃料剪切热室中的各类恶劣环境因素对传感器性能参数的影响,以放射性因素为主,开展辐射场对视频监控系统损伤的研究.

近年来,基于研究与工程的需要,以及辐照损伤机理研究的逐步成熟,图像传感器辐射效应模拟仿真与抗辐射加固的研究逐渐增多,2011年,西南科技大学王姮[1]等人对受γ射线影响的噪声图像进行研究,适应辐射环境下视屏监控的需要; 2014年,中国科学院刘成安[2]等人研制了强辐射环境下电子系统抗辐射技术,并经过实验检验表明,利用该技术防护后,系统工作时间可延长2～4倍; 2013年,西北工业大学教授胡永才[3]等人基于Geant4模拟仿真,研究了γ射线总剂量效应在CMOS光电二极管的能量沉积.

国外其他学者近年来也对该领域的研究做出了突出的贡献.2011年,意大利国家核物理研究所研究员Leonello Servolia[4]等人用24MeV质子对130nm无抗辐射加固的标准CMOS图像传感器进行了辐照实验,并发现在注量为1013proton/cm2时器件仍能工作,且噪声增量适中(20%).2012年,英国克兰菲尔德大学工程与应用科学系David W.Lane[5]讨论了商用OmniVision OV7411型传感器在X射线成像和光谱响应中的应用.2013年,匈牙利学者Gábor Náfrádi[6]等人研究智能相机受γ射线辐照后的暗电流图像,发现暗电流图像受总剂量效应、剂量率效应和曝光时间影响.同年,德国汉堡大学学者Schwandt[7]等人对4种不同类型的高阻抗N型硅像素传感器进行了剂量率为1kGy-1GGy的测试,并证实了其具有较好的耐辐照性能.2015年,德国波恩大学学者Tomasz Hemperek[8]等人基于180nm HV-SOI工艺设计了一种绝缘体上硅(Silicon On Insulator,SOI)单片有源像素传感器(Monolithic Active Pixel Sensor,MAPS),并证实这一技术在MAPS抗辐射加固方面有巨大潜力.同年,意大利帕多瓦大学学者Marta Bagatin和Simone Gerardin发表的专著[9],系统介绍了MOS器件特别是CMOS图像传感器的电离辐射效应与损伤机理.

1 CMOS图像传感器基本结构及原理

CMOS有源像素传感器采用标准CMOS工艺制造,主体结构包含硅光电二极管以及用作开关及放大器的MOS场效应管,像素间利用浅槽隔离(Shallow-Trench Isolation,STI)分割,防止串扰,数据采集利用X-Y寻址的像素扫描方式进行.X-Y寻址读出方式能够为其提供灵活的选择方案(例如窗选读出和跳跃式读出等),而有源像素结构能有效地抑制读出路径上产生和引入的噪声.CMOS图像传感器典型结构如图1所示.可以看出,CMOS图像传感器主要包含控制器、有源像素阵列、读出电路以及其他集成电路.随着工艺的发展和应用领域的不断拓宽,CMOS图像传感器出现了多种结构,其主要区别在于像敏单元,即像素中晶体管数量和结构的差别.从广泛使用的3T-APS(包含3个晶体管)到目前最先进的8T-APS(包含8个晶体管),基于标准CMOS工艺生产的3T及4T APS已被广泛商业化应用.

图1 CMOS图像传感器典型结构

CMOS图像传感器是利用积分模式收集电荷,并转化为电压、电流信号.光电二极管(PD)是CMOS图像传感器的电荷收集单元.PD的积分模式可以被解释为由总光电流产生的充电电容放电的过程.通常PD是衬底为P型半导体,因此其少子为电子.对于PD中的PN结光电二极管结构,可视作结电容,其值为

表示.其中Vbi为内建电势差;mj为与结形状相关的参数,对于PPD所采用的突变结其值为0.5.正是由于PD的积分模式,光电二极管存在最大电荷储存能力,把光电二极管电容能够储存的最大电荷量称为满井容量,可由

表示.其中q为电子电荷量;Vres、Vmax分别为复位电压和最大电压.当光电二极管内所产生的总光电流使光电二极管电容全部放电时,则有

联立以上式子,可得光电二极管电压与总光电流的关系式:

其中V0、C0分别为复位后的初始电压和电容值;Tint为积分时间.由式(5)可以看出,光电二极管正向压降与总光电流呈正相关关系.此时,光电二极管的结变电压VPD为

经过放大器与ADC后,VPD或Jtotal被转化为数字信号量DN并输出.因此,输出信号量DN与光电二极管收集的电荷量存在线性关系.

2 γ射线对CMOS图像传感器参数影响研究

2.1 实验条件

实验在中国原子能科学研究院进行,采用柱状60Co γ射线放射源,放射源平均活度为90kCi,辐射场不均匀度小于10%,环境温度约为21℃,实验现场环境如图2所示.

图2 柱状60Coγ射线辐射实验环境

图3 CMOS图像传感器参数测试实验框架图

选用豪威、美光、索尼3家厂商生产的商用CMOS图像传感器进行辐照实验.样品均放置于暗箱内进行实验.环境温度保持在室温条件.为避免图像传感器后端部分的集成电路收到辐射损伤,将传感器电路单元置于特制的金属钨盒中.实验系统框架图如图3所示.

2.2 实验结果与讨论

图4为剂量率在0Gy/h、20.20Gy/h、58.30Gy/h环境下,γ辐射对CMOS图像传感器所采集暗图像造成的干扰情况.同一剂量率下,各类实验样品中观察到的噪声程度不同,但噪声的数量与辐射剂量率的关系呈正相关.

图4 辐照前及辐照期间暗图像监控画面

(1)颗粒脉冲噪声

图4表明,图像中的颗粒脉冲噪声与辐射剂量率呈正相关关系.实验中无输入信号的暗图像对照组表明,输出信号的灰度值随剂量率增加而升高.图5为11#、12#和13#传感器样品在剂量率为20.20 Gy/h、58.30 Gy/时各灰度像素点数量增量分布曲线图.由图5可知,CMOS图像传感器在实验中观察到的脉冲颗粒噪声和输出图像的平均灰度值与剂量率相关.

图5 剂量率为20.20 Gy/h和58.30 Gy/h时各灰度像素点数量增量分布曲线图

(2)分辨率

分辨率体现了CMOS图像传感器对所采集图像细节的描述程度,这一参数反映了给定图像尺寸下所包含的细节信息.分辨率的测量通常采用测试图进行评价,图6为辐照前与辐照期间三类样品的分辨率测试图.由图6可知,辐照前,三类样品的分辨率基本可以达到10,但随着剂量率的增大,到达20.2Gy/h时,21#、23#样品分辨率有所下降; 当剂量率达到58.3Gy/h时,三类样品的分辨率下降至9以下,其中23#样品下降至8.结合暗电流的测算结论可知,入射γ射线造成的分辨率下降有3种可能: ①入射光子由于电离产生的光电流,与自然光叠加后,输出模拟信号幅值增大,受到入射光自电离辐射影响的像元无法反应真实值,从而导致分辨率下降; ②入射光子在光电二极管衬底处电离产生的电子空穴对,其中一部分载流子进入相邻像元,当电离产生的电子空穴对数量较大时,相邻两个像元的光电二极管内总光电流相近,从而导致分辨率下降,这一现象类似于长波长光照引起的漏光(smear); ③入射光子在某一个像元的光电二极管内电离产生大量的电子空穴对,导致该像元的电荷饱和并泄漏到相邻像元中,这一现象类似于高光溢出(blooming).

图6 不同剂量率条件下 3类CMOS图像传感器所采集分辨率测试图

(3)暗电流

暗电流是指CMOS图像传感器在没有输入信号的时候内部产生的反向直流电流.辐射引起的暗电流与增大器件结构密切相关,主要是由于浅槽隔离氧化物与沉底界面及近界面处产生的氧化物陷阱电荷以及界面态造成的.本底暗电流Jdark可通过暗图像的平均灰度值进行表征,而经过辐照后,图像传感器的暗图像平均灰度为辐照后的总暗电流值所表征,关系为

其中Jd′ark为CMOS图像传感器暗电流值,ΔJd′ark为辐射后增加的暗电流增量.

由此可知,进行辐照实验后,实验样品的暗图像灰度增加量等于总剂量效应导致的暗电流增加量.图7给出了11#、12#和13#CMOS图像传感器样品辐照前以及累积剂量分别达到26.02Gy以及88.4Gy后,暗图像的平均灰度值.

从图7中可以看出,实验前3个传感器样品本底接近于0.辐照后,11#样品暗图像平均灰度增大较为明显,12#样品与13#样品基本无变化; 当累积剂量达到26.02Gy时,11#样品的平均灰度值停止增加并趋于饱和.

图8为21#、22#和23# CMOS图像传感器样品辐照前以及累积剂量分别达到26.02Gy以及88.4Gy后,彩色图像的平均灰度值.对于有信号输入的彩色图像,辐照过后其平均灰度均有所增大,增大程度与累积剂量相关,不呈线性关系.并且在同一累积剂量条件下,有信号输入的传感器较无信号输入的传感器受到电离辐射的影响更大.

图7 辐照前后暗图像平均灰度

图8 辐照前后彩色图像平均灰度

3 结论

(1)总剂量效应为γ射线对CMOS图像传感器损伤的主要表现.辐射在MOS结构的Si/SiO2近界面处产生氧化物陷阱电荷,在界面处产生界面态,并在这两种电荷的联合作用下,传感器暗电流增大,在相同的积分时间内,像素灰度值也就增大.又由于产生这部分暗电流的像素点在整个CMOS图像传感器的感光元件中呈泊松分布,从而形成了CMOS图像传感器的暗电流背景噪声.

(2)不同类型不同厂商生产的CMOS图像传感器在相同辐射剂量率下产生的白色颗粒噪声数量不同,但CMOS图像传感器无输入信号的暗图像中噪点的数量均随剂量率增大而增多.

(3)有输入信号的彩色图像受到入射γ光子的产生的辐射效应较弱,但暗图像对辐射剂量率十分敏感.这是由于暗电流及脉冲颗粒噪声对画面的影响程度与光电二极管积分时间有关.

综上所述,当累积剂量低于88.4Gy,剂量率低于58.3Gy/h时,CMOS图像传感器性能参数受γ射线电离辐射影响虽因生产商不同而有所差异,但在光照较为充足的条件下,能够满足辐射环境下进行短时间观测的需要,并且通过抗辐射加固手段以及合适的退火手段,能够极大地延长视频监控系统CMOS图像传感器在放射性环境中的工作寿命和图像信息采集质量.

本研究为图像传感器抗辐射加固和放射环境视频监控研究提供了数据和技术支持.

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Experimental Study on Radiation Damage of CMOS Image Sensor

ZOU Yang1,HUANG Jinghao2
(1.Department of Technology and Information Technology,China Nuclear Industry Construction Group Corporation,Beijing 100083,China; 2.Equipment Management Office,Hainan Unclear Power Co.,Ltd,Haikou 572700,China)

TN29

A

1672-5298(2017)03-0044-06

2017-07-02

邹 旸(1984− ),男,江西安福人,博士,中国核工业建设集团科技与信息化部工程师.主要研究方问: 图像传感