γ射線電離輻射對(duì)商用CMOS APS性能參數(shù)的影響

徐守龍， 鄒樹梁， 黃有駿

(1. 南華大學(xué) 核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 衡陽 421001；2. 南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖南 衡陽 421001； 3. 中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院, 四川 成都 610213)

γ射線電離輻射對(duì)商用CMOS APS性能參數(shù)的影響

徐守龍1,2， 鄒樹梁1*， 黃有駿3

(1. 南華大學(xué) 核設(shè)施應(yīng)急安全作業(yè)技術(shù)與裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 衡陽 421001；2. 南華大學(xué) 核科學(xué)技術(shù)學(xué)院, 湖南 衡陽 421001； 3. 中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院, 四川 成都 610213)

研究了γ射線電離輻射效應(yīng)對(duì)商用CMOS有源像素傳感器(APS)性能參數(shù)的影響，著重分析了量子效率、轉(zhuǎn)換增益、暗電流、壞點(diǎn)和脈沖顆粒噪聲等參數(shù)。研究結(jié)果表明：當(dāng)受到1 000 Gy輻射后，APS失去工作能力，無信號(hào)輸出或像素灰度值僅為0，110，255 DN。60Co γ射線的離位截面約為10-25cm2(0.1 b)。當(dāng)劑量率低于58.3 Gy/h且輻照時(shí)間較短時(shí)，輻射對(duì)量子效率及轉(zhuǎn)換增益無影響，壞點(diǎn)產(chǎn)生數(shù)為0，總劑量效應(yīng)使3T-APS的本底噪聲升高到4.62 DN但對(duì)4T PPD APS幾乎無影響。脈沖顆粒噪聲引起的各灰度值像素?cái)?shù)量分布呈泊松分布，并與劑量率正相關(guān)。

CMOS APS； γ射線； 總劑量效應(yīng)； 電離效應(yīng)

1 引 言

利用商用CMOS APS進(jìn)行核輻射探測是基于CMOS半導(dǎo)體器件的電離輻射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，即通過測算電離輻射效應(yīng)對(duì)CMOS圖像傳感器輸出參數(shù)的影響，來表征輻射場強(qiáng)度。因此，本項(xiàng)研究的首要工作是分析電離輻射效應(yīng)對(duì)輸出參數(shù)的影響。擁有3個(gè)和4個(gè)晶體管的3T、4T結(jié)構(gòu)商用APS已被廣泛商業(yè)化應(yīng)用。其中3T-APS具有相當(dāng)好的信噪比，并且基于標(biāo)準(zhǔn)工藝生產(chǎn)，成本低；而4T-APS具有更好的抗電離輻射損傷及干擾能力。先前對(duì)CMOS APS輻射效應(yīng)的研究主要是在空間應(yīng)用領(lǐng)域，研究宇宙射線、高能粒子、質(zhì)子等粒子對(duì)CMOS APS的損傷效應(yīng)，并利用高劑量率短時(shí)間的輻射來模擬空間中長時(shí)間低劑量率的輻射效應(yīng)[22]。然而，在核事故工況下，CMOS APS主要面臨由泄露放射性衰變核素產(chǎn)生的γ射線電離輻射。

本文通過分析CMOS APS電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及電離輻射效應(yīng)機(jī)理，結(jié)合電離輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，試圖通過研究γ射線電離輻射效應(yīng)對(duì)CMOS APS主要參數(shù)的影響，證明商用CMOS圖像傳感器具有開發(fā)成為γ射線核輻射探測器的潛力。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品選用豪威公司生產(chǎn)的商用3T傳統(tǒng)光電二極管(PD)APS和美光公司、索尼公司生產(chǎn)的商用4T扎光電二極管(PPD)APS進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)，像素結(jié)構(gòu)截面圖如圖1所示。

圖1 有源像素傳感器結(jié)構(gòu)截面示意圖

Fig.1 Cross sectional view of 3T photodiode APS and 4T pinned photodiode APS

樣品均放置于暗箱內(nèi)進(jìn)行輻照實(shí)驗(yàn)。環(huán)境溫度保持在室溫條件。放射源采用60Co單柵板γ源，衰變產(chǎn)生光子能量為1.17 MeV和1.33 MeV，放射源平均活度為680 kBq。利用網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)(NVR)采集和儲(chǔ)存視頻信號(hào)，視頻采集率為25 Hz。為了防止電離輻射對(duì)CMOS APS模組中主板模塊的電子元器件造成損傷，將主板模塊放置于鎢金屬屏蔽盒中。系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 輻照實(shí)驗(yàn)示意圖

Fig.2 Schematic diagram of irradiation experiments

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將3類APS樣品分別標(biāo)記，并記錄各器件參數(shù)如表1所示。

表1 各樣品參數(shù)信息

將1組樣品依次放置于劑量率為16.63，20.20，58.30 Gy/h(Si) 的3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集暗圖像輸出信號(hào)，并計(jì)算累積劑量。另選取1組樣品放置于劑量率為1 000 Gy/h(Si)的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)處，不加偏壓輻照1 h后觀察損傷結(jié)果。劑量計(jì)采用重鉻酸銀化學(xué)劑量計(jì)。

3 結(jié)果與討論

3.1 高劑量率輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果

CMOS APS中的MOS結(jié)構(gòu)是輻射敏感單元。隨著輻照總劑量的增大，MOS結(jié)構(gòu)中氧化層近Si/SiO2界面處產(chǎn)生的氧化物陷阱電荷以及在Si/SiO2界面處產(chǎn)生的界面態(tài)聯(lián)合作用，使APS中閾值電壓漂移并導(dǎo)致漏極電流變化[23]。對(duì)于用作放大的MOS器件，可能造成輸出信號(hào)變化；對(duì)于用作開關(guān)的MOS器件，可能無法導(dǎo)通或完全關(guān)閉。當(dāng)電離輻射未能造成APS瞬間損壞時(shí)，隨著輻照時(shí)間的延長，總劑量效應(yīng)造成的MOS器件閾值電壓漂移是影響APS工作性能的主要因素。圖3為3類CMOS APS樣品在非工作狀態(tài)下受到劑量率為1 000 Gy/h(Si) 的γ射線輻照1 h后測試所獲得的畫面圖像。

圖3 γ射線輻照1 000 Gy后各樣品的測試畫面

Fig.3 Test image of samples after 1 000 Gy γ-ray irradiation

如圖3所示，在非工作條件下，累積劑量達(dá)到1 000 Gy(Si)時(shí)，3類樣品均失去信號(hào)采集能力，其中：1#樣品畫面呈灰色，灰度為110 DN，接近半飽和值；2#樣品灰度僅存在0 DN和255 DN兩個(gè)值；3#樣品信號(hào)丟失。綜上所述，不同廠商生產(chǎn)的CMOS APS的耐輻照能力有所不同，且輻射損傷現(xiàn)象也有差異，這可能是由于制造工藝差異引起的。但輻照總劑量達(dá)到1 000 Gy(Si)后，所有樣品均失去圖像采集能力。

3.2 CMOS APS參數(shù)影響分析

CMOS APS的參數(shù)主要包括工藝參數(shù)及性能參數(shù)。工藝參數(shù)如像素結(jié)構(gòu)、特征尺寸、像素尺寸、填充因子、氧化層厚度等，只與APS的生產(chǎn)制造工藝過程相關(guān)，并不受電離輻射影響。但這些參數(shù)將會(huì)影響器件的耐輻照性能，例如，氧化層厚度會(huì)影響氧化物陷阱電荷的數(shù)量，從而影響MOS器件的閾值電壓和平帶電壓等。然而，APS性能參數(shù)的變化將直接影響輸出信號(hào)。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果重點(diǎn)分析這些參數(shù)受到電離輻射效應(yīng)影響的關(guān)系。

3.2.1 量子效率

量子效率表示光生電荷被像素勢阱收集的數(shù)量與入射到像素單元總體光子數(shù)之比。當(dāng)像素電荷收集區(qū)缺陷增多時(shí)，量子效率將發(fā)生變化。由前文理論分析結(jié)論可知，CMOS APS受到的影響主要包括總劑量效應(yīng)以及入射光子在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生的光電流造成的干擾。60Co放射源所釋放光子能量為1.17 MeV和1.33 MeV，這一能量的γ光子對(duì)于Si原子的離位截面約為10-25cm2(0.1 b)。與電離效應(yīng)的反應(yīng)截面相比，離位截面幾乎可以忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為CMOS APS的量子效率不受到γ射線電離輻射的影響。

3.2.2 轉(zhuǎn)換增益

轉(zhuǎn)換增益表示每個(gè)有效光電子導(dǎo)致輸出圖像灰度值的增量。轉(zhuǎn)換增益主要由讀出電路決定。目前工藝采用的深亞微米級(jí)薄柵MOS晶體管具有非常薄的柵氧化層，總劑量效應(yīng)對(duì)MOS結(jié)構(gòu)的影響幾乎可以忽略。因此，CMOS APS的轉(zhuǎn)換增益在輻照前后幾乎無變化。這一結(jié)論在先前的研究中已被證實(shí)[24]。

3.2.3 暗電流

暗電流表示無入射光時(shí)，在CMOS APS內(nèi)產(chǎn)生的反向直流電流。它包括晶體材料表面缺陷形成的泄漏電流以及載流子形成的暗電流。輻射引起的暗電流增大與電離輻射在像素單元的柵氧化層及淺槽隔離結(jié)構(gòu)內(nèi)感生的陷阱電荷量相關(guān)。其中CMOS APS內(nèi)的MOS結(jié)構(gòu)柵氧化層非常薄，總劑量效應(yīng)可以忽略不計(jì)；而淺槽隔離結(jié)構(gòu)不僅厚度大，通常又是通過沉積工藝制造的，其內(nèi)部缺陷較多。因此，在用于橫向隔離的淺槽隔離氧化物內(nèi)，近界面處輻射感生的氧化物陷阱電荷以及界面處的界面陷阱電荷是APS受到電離輻射總劑量效應(yīng)影響的主要因素。圖4所示為輻照前后兩類APS樣品像素光電二極管截面圖。

由圖4可知，3T PD APS的耗盡區(qū)與淺槽隔離結(jié)構(gòu)相鄰，電離輻射在氧化物近界面及界面處產(chǎn)生的正氧化物陷阱電荷以及界面態(tài)將會(huì)使光電二極管耗盡區(qū)增大，從而導(dǎo)致APS暗電流增大。而對(duì)于4T PPD APS，光電二極管的空間電荷區(qū)與淺槽隔離氧化物分離且光電二極管埋于P型重?fù)诫s區(qū)下方，當(dāng)STI界面處所產(chǎn)生的陷阱電荷不足以造成空間電荷區(qū)增大并與STI界面接觸時(shí)，總劑量效應(yīng)對(duì)4T PPD APS的影響十分微弱。輻射引起的暗電流增大主要是由于空間電荷區(qū)在陷阱電荷作用下增大，并覆蓋淺槽隔離(TID)氧化層表面，而TID表面的陷阱電荷導(dǎo)致暗電流增大。輻照前，暗圖像的平均灰度能夠表示本征暗電流Jdark；輻照后，暗圖像平均灰度為受到總劑量效應(yīng)影響后的總暗電流值，關(guān)系式如公式(1)所示：

圖4 輻照前后3T PD APS及4T PPD APS截面圖

Fig.4 Cross sectional view of 3T PD APS and 4T PPD APS before and after irradiation

(1)

圖5 各類APS樣品在輻照前后的暗圖像平均灰度柱狀圖

Fig.5 Histogram of average gray level change in dark image for all kinds of APS samples before and after irradiation

如圖5所示，3類樣品在輻照前均具有較低的暗電流，輻照后3T PD APS暗圖像平均灰度變化較大，由暗電流造成的平均灰度升高到4.62，但對(duì)于4T PPD APS幾乎無變化。

3.2.4 壞點(diǎn)

壞點(diǎn)代表像元中的缺陷，主要包括點(diǎn)缺陷、簇缺陷以及行或列缺陷。一般將在暗圖像中超過平均灰度10倍的像元，以及在半飽和條件下大于平均灰度1.3倍或小于0.7倍的像元定義為壞點(diǎn)。對(duì)于壞點(diǎn)數(shù)量的測算方法如公式(2)所示：

(2)

3.2.5 脈沖顆粒噪聲

γ光子在APS光電二極管內(nèi)發(fā)生電離效應(yīng)時(shí)，其本身或康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的次級(jí)γ光子能夠在光電二極管內(nèi)電離產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，即入射γ光子在光電二極管中沉積的能量轉(zhuǎn)化為大量載流子。電離效應(yīng)根據(jù)在光電二極管內(nèi)產(chǎn)生位置的不同，可分為瞬態(tài)光電流和擴(kuò)散光電流。由于γ射線入射到某一個(gè)或某一區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)的概率是隨機(jī)的，并且光子注量率越大，在某一個(gè)或某一區(qū)域像素點(diǎn)內(nèi)產(chǎn)生正向脈沖噪聲的概率和增幅越大，宏觀表現(xiàn)為輻射環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)控的暗圖像畫面中形成雪花狀的隨機(jī)正向脈沖顆粒噪聲，并與輻射劑量率正相關(guān)。圖6為劑量率在0，20.20，58.30 Gy/h(Si)環(huán)境下，γ射線輻射所產(chǎn)生的雪花狀噪聲。

圖6 各類CMOS APS在劑量率為0，20.20，58.30 Gy/h(Si)的γ射線輻射環(huán)境下實(shí)時(shí)采集的暗圖像畫面。

對(duì)比圖6中1#、2#樣品在不同劑量率條件下采集的圖像可知，3T PD APS和4T PPD APS受到脈沖顆粒噪聲的影響并無明顯區(qū)別；然而對(duì)比2#與3#樣品可知，同種結(jié)構(gòu)不同廠商生產(chǎn)的CMOS APS產(chǎn)生的白色顆粒噪聲數(shù)量不同，但各類CMOS APS暗圖像中白色噪點(diǎn)的數(shù)量均隨劑量率的增大而增多。

當(dāng)入射光子進(jìn)入耗盡區(qū)內(nèi)時(shí)，電離產(chǎn)生的載流子形成由N區(qū)向P區(qū)的瞬態(tài)光電流:

(3)

(4)

(5)

圖7 劑量率為20.20Gy/h(Si)和58.30Gy/h(Si)時(shí)，1#(a)、2#(b)和3#(c)樣品的暗圖像像素灰度值的頻數(shù)曲線。

Fig.7 Frequency curves of pixel gray value of dark image for sample 1#(a), 2#(b) and 3#(c) during irradiation at 20.20 Gy(Si) and 58.30 Gy/h(Si), respectively.

噪聲是干擾輸出信號(hào)的主要影響因素。由圖6可知，脈沖顆粒噪聲的數(shù)量隨劑量率的增大而增大。對(duì)于暗圖像，脈沖顆粒噪聲相當(dāng)于在某個(gè)或區(qū)域內(nèi)的像元所采集到的光信號(hào)急劇增大，輸出信號(hào)中表現(xiàn)為某一點(diǎn)或某一區(qū)域內(nèi)的灰度值急劇升高。圖7為各APS樣品在劑量率為20.20 Gy/h(Si)、58.30 Gy/h(Si)時(shí)所采集的暗圖像灰度值頻數(shù)曲線圖。

由圖可知，CMOS APS在γ射線輻照過程中產(chǎn)生的脈沖顆粒噪聲呈泊松分布，且噪點(diǎn)數(shù)量和灰度與劑量率相關(guān)。然而，不同廠商生產(chǎn)的CMOS APS在同一劑量率環(huán)境下，各灰度像素點(diǎn)數(shù)具有不同的分布曲線。因此，利用商用CMOS APS進(jìn)行核輻射探測時(shí)，需考慮不同工藝生產(chǎn)的商用CMOS APS對(duì)電離輻射的響應(yīng)關(guān)系。

4 結(jié) 論

研究了γ射線電離輻射效應(yīng)對(duì)商用CMOS有源像素傳感器(APS)性能參數(shù)的影響。商用CMOS APS電離輻射效應(yīng)主要表現(xiàn)為MOS結(jié)構(gòu)的總劑量效應(yīng)，以及光電二極管內(nèi)光子電離效應(yīng)的疊加。工藝參數(shù)并不受電離輻射效應(yīng)影響，但與器件的耐輻射性能直接相關(guān)。當(dāng)受到1 000 Gy(Si)的γ射線輻射后，CMOS APS將失去信號(hào)采集能力，具體表現(xiàn)為無信號(hào)輸出或圖像像素灰度值為0，110，255 DN。60Co γ射線的離位截面約為10-25cm2(0.1 b)，所造成的位移效應(yīng)幾乎可以忽略不計(jì)，不影響量子效率及轉(zhuǎn)換增益。當(dāng)劑量率低于58.3 Gy/h(Si)時(shí)，總劑量效應(yīng)產(chǎn)生壞點(diǎn)數(shù)為0，且4T-APS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使其受短時(shí)間輻照后的總劑量效應(yīng)不明顯。但由于不同樣品存在工藝差異，當(dāng)輻照總劑量達(dá)26.02 Gy(Si)時(shí)，部分樣品的本底噪聲灰度值提高到4.62 DN。脈沖顆粒噪聲引起的暗圖像灰度值頻數(shù)分布呈泊松分布，并與劑量率正相關(guān)。結(jié)果表明，可以通過優(yōu)化測算方法，利用電離輻射效應(yīng)對(duì)CMOS APS輸出信號(hào)的影響來表征輻射場強(qiáng)度。隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，基于CMOS APS的核輻射探測器將在核輻射探測領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

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徐守龍(1988-)，男，甘肅嘉峪關(guān)人，博士研究生，2010年于華北電力大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事CMOS有源像素傳感器電離輻射損傷及核輻射探測技術(shù)的研究。

E-mail: 119242948@qq.com

鄒樹梁(1956-)，男，江西安福人，教授，博士生導(dǎo)師，2006年于中南大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要從事核應(yīng)急安全與技術(shù)裝備方面的研究。

E-mail: zousl2013@126.com

Effect of γ-ray Ionizing Radiation on CMOS Active Pixel Sensor

XU Shou-long1,2, ZOU Shu-liang1*, HUANG You-jun3

(1.HunanProvincialKeyLaboratoryofEmergencySafetyTechnologyandEquipmentforNuclearFacilities,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China;2.CollegeofNuclearScienceandTechnology,UniversityofSouthChina,Hengyang421001,China;3.NuclearPowerInstituteofChina,Chengdu610213,China)

The effect of γ-ray irradiation on the performance parameters of commercial off the shelf CMOS active pixel sensors was studied, specially focusing on the analysis of quantum efficiency, conversion gain, dark current, dead pixels, and pulse parameters such as particle noise pixels. As result shown, the active pixel sensors incapacitated after 1 000 Gy γ-ray irradiation present as no signal output or pixel gray value of only 0, 110 or 255 DN. The displacement cross section of cobalt-60 of γ-ray is about 10-25cm2(0.1 b). After short time and low dose rate irradiation below 58.3 Gy/h, the irradiation has less effect on the quantum efficiency and conversion gain, the number of dead pixels is still zero, and the background noise of 3T APS rise up to 4.62 DN but less effect on 4T-APS. The frequency of the gray value of the dark image caused by the pulse noise is in Poisson distribution and correlated with γ-ray radiation dose rate.

active pixel sensor; γ-ray; total ionizing dose effect; ionizing radiation effect

1000-7032(2017)03-0308-08

2016-08-22；

2016-12-29

湖南省科技重大專項(xiàng)(2012FJ1007)； 湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(2015SCX02)資助 Supported by Major Scientific and Technological Special Project of Hunan Province (2012FJ1007); Graduate Student Research Innovation Project of Hunan Province(2015SCX02)

TN946.1; TN65

A

10.3788/fgxb20173803.0308

*CorrespondingAuthor,E-mail:zousl2013@126.com