γ射线及质子辐照导致CCD光谱响应退化的机制

文 林, 李豫东, 郭 旗, 汪朝敏

( 1. 中国科学院 新疆理化技术研究所, 中国科学院特殊环境功能材料与器件重点实验室， 新疆电子信息材料与器件重点实验室， 新疆 乌鲁木齐 830011; 2. 重庆光电技术研究所, 重庆 400060)

1 引 言

CCD是最常用的空间固态成像器件之一[1-4]，在空间对地成像和天文学领域获得了广泛的应用。CCD工作原理为光入射到光敏区，与半导体材料发生光电效应产生光电子，经过转移后进行输出[5]。由于产生光电效应的区域在CCD光敏区栅氧下，因此从光信号到达CCD表面到其通过光电效应转换为有用的电荷信号，需要克服表面材料的反射，同时由于不同波长光在体Si内的折射率和传播不同，导致其有效吸收深度不同，因此CCD对不同波长光的响应率也不同，即存在CCD的光谱响应率分布。影响CCD光谱响应的因素有很多，包括表面透射率、界面折射率和光敏区耗尽层深度、光吸收深度、体Si内的缺陷分布等，其中辐射效应主要通过界面态影响耗尽层深度和位移缺陷影响体Si内的缺陷分布[6-9]，导致CCD光谱响应性能退化。目前国内外对CCD辐射效应的研究主要关注其暗电流和电荷转移效率的退化规律和辐射损伤机理[4,8-13]，在所调研的近年CCD辐射效应研究文献中，尚没有见到对光谱响应的研究报道。但根据CCD的工作原理，其对不同波长的光产生响应，若辐射导致光谱响应退化，则CCD的成像性能会相应地发生退化，因此辐射导致的CCD光谱响应退化是CCD辐射效应需要关注的重要方面。

对于应用在空间任务中的CCD，其面临的辐射环境非常复杂[14-15]。空间辐射环境导致的CCD性能退化主要是电离辐射效应、位移效应和单粒子效应[16-18]，对于长期在空间辐射环境工作的CCD来说，单粒子效应可以通过断电、电路冗余设计进行防护，而累积辐射效应(电离辐射效应和位移效应)是导致其性能随工作时间逐渐退化的原因，因此是辐射效应研究的重点。本文主要对CCD在空间辐射环境中，由电离辐射效应和位移效应导致的光谱响应退化问题，从CCD光谱响应的定义、测试方法出发，研究光谱响应退化带来的CCD性能损失问题，分别对60Co-γ射线和质子辐照导致CCD光谱响应退化的规律、原因和微观机理进行描述。

CCD光谱响应是指在规定波长或光谱范围的光照下，器件单位曝光量(J/cm2)的输出信号电压，即对不同入射波长的响应度。响应度即单位入射光强下器件输出的电压值，通常用R(λ)或R表示。CCD光谱响应反映了器件的灵敏度和响应范围，其大小直接决定了器件的性能，是器件作为光电图像传感器的核心指标。辐照可在半导体材料中引入缺陷能级，使CCD的发光、光响应性能产生变化，所以通过器件响应度的测试，可研究器件内部产生缺陷能级的情况。而CCD光谱响应对应着光生电荷的产生和收集过程，光谱响应的退化导致CCD成像性能退化，对应不同波长光的分辨率下降。

2 辐照试验与测试

2.1 辐照试验样品及试验条件

试验样品为国产埋沟结构CCD，器件规模为64×64(像元)，像元尺寸为48μm×48μm。由于在进行测试时需要为光斑寻找固定位置的CCD像元，因此光谱响应测试时间较长，为了保证试验的连续性(在一天之内完成)，试验中适当减少移位测试点。具体采用的试验条件为：

对于60Co-γ射线辐照，根据前面其他参数的试验结果，选取静态偏置条件为主要的CCD辐照偏置，同时增加一组零偏器件以进行适当的比较。辐照后进行常温退火试验。对于质子辐照，根据前面其他参数的试验结果，选取较方便的零偏条件作为主要的CCD辐照偏置。采用的质子能量为常用的3MeV和10MeV。由于质子辐照试验现场(北京大学重离子物理实验室)没有可进行CCD光谱响应测试的设备，因此光谱响应测试进行了异地测试。国外研究显示，质子辐照在CCD内产生的位移损伤在室温放置1星期左右之后将趋于稳定，因此辐照后的第一次光谱测试选择在辐照后168小时左右进行，之后继续进行100℃和150℃高温退火实验。

2.2 光谱响应测试

在给定光谱范围的光照下，当入射光辐射强度为E时，器件的平均输出信号是Vo，器件的响应率由下式确定:

(1)

式中，R为器件的响应率，单位：V·cm2·μJ-1；Vo为CCD的输出电压，单位：mV；T为CCD的积分时间，单位：ms；E为入射的光辐射，单位：mW/m2。

测试时，卤钨灯发出的光通过光栅、平行光管到达被测试的CCD表面。通过调节光栅，依次让波长为400～1100nm的光通过平行光管到达CCD表面，测试CCD成像区固定像元区的灰度值平均值，若不考虑归一化问题，则该值可直接读取为CCD对光谱的响应。

3 电荷耦合器件光谱响应辐照损伤机理

3.1 60Co-γ射线辐照导致光谱响应退化的损伤机理

根据前面的分析，60Co-γ射线辐照形成的缺陷对CCD性能的影响主要是：在光敏区和转移区内Si-SiO2界面态的影响，以及输出电路内氧化物陷阱电荷和界面态的影响。对于CCD光谱响应来说，由于主要的影响因素出现在光电效应产生信号电荷的过程中，一旦信号电荷包形成，则在CCD内部完成的是电荷包的转移和读出，与CCD吸收光的光谱没有关系，因此在60Co-γ射线辐照时，对CCD光谱响应有影响的是光敏区MOS结构内由于辐照而产生的界面态。

根据电离损伤机理[19-20]，界面态对CCD光敏区光谱响应的方式为：由于Si-SiO2界面处带正电的界面态大量积累，影响像元MOS结构栅极电压在体Si内形成的电场分布，导致耗尽区深度增大，因此CCD对红光的响应增加。同时由于界面态的积累，埋沟CCD像元区n型埋层的厚度降低，即体Si内发生光电效应的区域向界面处延伸，导致穿透能力弱的短波长的蓝光吸收能力增加，即蓝光响应增加。对于波长在蓝光和红光之间的其他波长的光，影响较小。同时，由于界面态感生的电场与CCD像元MOS结构栅极电压电场的叠加，界面态对所有波长的光产生的光电信号均产生影响，这一影响与界面态对耗尽区的影响叠加，产生的结果是：尽管红光和蓝光的响应变化更大，但整体来说60Co-γ射线辐照对CCD光谱响应的影响对所有波长的光来说近似是均匀的，即光谱响应曲线出现的变化是整体向上，或向下移动。图1和图2中零偏和静态偏置条件下60Co-γ射线辐照导致CCD光谱响应的变化结果印证了上述分析。

图1和图2中曲线的相同之处是60Co-γ射线辐照及常温退火后CCD光谱响应曲线均出现整体、均衡的变化。但两条曲线在常温退火期间表现出了不同之处：零偏CCD光谱响应在常温退火期间恢复到更接近初始值，而静态偏置CCD光谱响应在常温退火期间表现出了后损伤效应。出现这一现象的原因是界面态常温退火行为的差异。对于零偏CCD，辐照后没有新的界面态生成，因此辐照时产生的界面态逐渐退火；而对于静态偏置CCD，由于辐照后常温退火期间CCD仍施加静态偏置，正电压偏置形成的电场引导SiO2内的氧化物陷阱向界面处移动，形成新的界面态，即

图1 60Co-γ射线辐照前后零偏CCD的光谱响应变化

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

图260Co-γ射线辐照前后静态偏置CCD的光谱响应变化

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

界面态在辐照后常温退火期间继续生长，导致CCD光谱响应进一步退化，即出现了后损伤效应。

前面的分析指出，60Co-γ射线辐照导致CCD光谱响应整体退化，图3和图4分别对波长为460nm的蓝光和波长为700nm的红光在60Co-γ射线辐照期间的响应率进行了曲线拟合，从两幅图中可以看出，不论辐照时采用何种偏置条件(静态偏置或零偏)，CCD对蓝光和红光的响应率退化均是线性的，且对两种波长光的响应率退化线性曲线的斜率均非常接近。表1列出了上述试验结果中，辐照后和室温退火2h后两个试验节点上，CCD对蓝光和红光的响应率变化的比值，可以看出两个节点上CCD对不同波长光的响应差异(“蓝光/红光”的比值)是一致的。

图3 60Co-γ射线辐照前后CCD蓝光响应的变化

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

图4 60Co-γ射线辐照前后CCD红光响应的变化

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

表1 60Co-γ射线辐照前后CCD光谱响应的变化率

上述分析描述了60Co-γ射线辐照对CCD光谱响应的影响，从最终分析结果来看，类似于60Co-γ射线辐照对CCD暗信号的影响，即影响了信号电荷包的大小，对光谱响应的实质——不同波长光的响应率差异——没有明显的影响。

3.2 质子辐照导致光谱响应退化的损伤机理

质子辐射在CCD内同时产生电离损伤和位移损伤，电离损伤引起的CCD光谱响应退化与60Co-γ射线辐照相似，位移损伤则引起更多的光谱响应退化。位移损伤对光谱响应的作用机理与质子辐照导致CCD暗信号非均匀性退化的机理相似，是由于位移损伤导致的CCD像元-像元内晶格缺陷的差别导致的。由于位移损伤受辐照偏置的影响不明显，因此不同偏置条件下质子辐照均导致CCD光谱响应明显退化，如图5和图6。图中显示的辐照后室温退火143/136 h的曲线代表了质子辐照后数据。由于质子辐照试验中没有可以对CCD进行光谱响应测试的设备，因此光谱响应曲线在质子辐照试验完成，返回中科院新疆理化所后进行测试，从辐照完成到进行测试中间间隔近1星期。根据国外文献报道，质子辐照产生的位移损伤缺陷在辐照后将发生衰退，这是由于有些位移损伤缺陷是不稳定的。一般辐照后1星期左右进行测试获得的数据是可靠的。由于实验条件的限制，参考国外研究经验，取辐照后室温退火143/136 h的曲线代表质子辐照后的数据。在室温退火后光谱响应测试完成后，立即依次进行100 ℃和150 ℃的高温退火实验。

图5 3 MeV质子辐照前后静态偏置CCD的光谱响应变化

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

质子辐照导致的CCD光谱响应受辐照时的偏置影响不明显，但对能量的依赖非常明显。比较图6和图7，可以看出，对于波长为460 nm的蓝光，3 MeV质子入射导致的响应变化明显大于10 MeV质子，即3 MeV质子辐射产生了更多的有效缺陷。为了更直接地比较不同能量质子辐射导致CCD光谱响应的变化，表2中列出了试验中室温放置约150 h、100 ℃高温退火67 h和150 ℃高温退火25 h等几个节点时，CCD光谱响应在460 nm的蓝光和波长为700 nm的红光处的变化，可以看出10 MeV质子导致的CCD对不同波长光的光谱响应差异(“蓝光/红光”的比值)远大于3 MeV质子。

图7 10 MeV质子辐照前后零偏CCD的光谱响应变化

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

表2 质子辐照前后CCD光谱响应的变化率

从表2中还可以看出，高温退火后CCD对不同波长光的光谱响应差异更大，这是由于部分缺陷在高温退火时被复合，剩下的位移损伤缺陷中团簇型的晶格缺陷占有的比例更大，因此导致缺陷的离散型更明显，因此不同波长光的光谱响应差异更明显。

4 结 论

本文通过60Co-γ射线辐照试验和质子辐照试验，研究了CCD光谱响应受辐射损伤的影响。由于没有辐射导致CCD光谱响应退化的相关文献报道，因此相关损伤理论分析以电离辐射损伤和位移损伤作为基础。

在60Co-γ射线辐照时，CCD光谱响应出现了明显的退化，且退化程度与采用的辐照偏置存在着与暗信号性能类似的依赖关系，静态偏置条件下光谱响应退化更明显。在质子辐照时，3 MeV和10 MeV质子均导致CCD光谱响应明显退化，且其退化规律与暗信号特性退化类似。由于对CCD光谱响应退化来说更关心的是不同波长光响应的差异，因此基于辐照试验结果，对460 nm的蓝光和700 nm的红光辐照期间的退化情况进行了比较。通过对比，发现60Co-γ射线辐照时，蓝光和红光的响应退化率保持一致，即60Co-γ射线辐照导致CCD光谱响应退化，但是对不同波长的光，响应退化程度相同，没有产生光谱响应差异性退化问题。在质子辐照时，蓝光和红光的响应率退化显示出显著的差异，且10 MeV质子导致的光谱响应差异性比3 MeV质子更明显。

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