CMOS图像传感器西安200MeV质子应用装置H^(-)辐照效应实验研究

为评估互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)的辐照损伤效应,在西安200 MeV质子应用装置上,首次开展了65 nm工艺PPD CIS负氢离子(H^(-))辐照实验,在H^(-)能量为7 MeV,辐照注量分别为1×10^(11),5×10^(11),1×10^(12 )cm^(-2)时,得到了H^(-)辐照诱发65 nm工艺PPD CIS性能退化的实验结果,分析了暗信号、暗信号不均匀性、暗信号尖峰及系统总增益等辐射敏感参数退化的实验规律和损伤机理。实验结果表明,H^(-)辐照后,PPD CIS的平均暗信号、DSNU和暗信号尖峰均随辐照注量增大而显著增大,系统总增益在H^(-)辐照后明显减小。辐照后经过168 h常温退火,暗信号分布曲线和光子转移曲线与退火前相比几乎没有变化。

CMOS图像传感器辐照损伤效应仿真模拟研究进展

CMOS图像传感器(CIS)工作在空间辐射或核辐射环境中遭受的辐照损伤问题备受关注。对CIS辐照损伤效应进行仿真模拟研究有助于深入揭示辐照损伤机理,进而开展抗辐射加固设计,有效提升CIS抗辐照能力。文章通过梳理国内外开展CIS辐照损伤效应仿真模拟研究方面的进展情况,结合课题组已开展的电子元器件辐照效应仿真模拟和实验研究基础,从CIS器件建模、时序驱动电路建模、辐照损伤效应建模、仿真模拟结果校验等方面探讨了CIS辐照损伤效应的仿真模拟方法,分析总结了当前CIS辐照效应仿真模拟研究中亟待解决的关键技术问题。

GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池不同能量质子辐照损伤模拟

以GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池为研究对象,开展了能量为0.7, 1, 3, 5, 10 MeV的质子辐照损伤模拟研究,建立了三结太阳电池结构模型和不同能量质子辐照模型,获得了不同质子辐照条件下的I-V曲线,光谱响应曲线,结合已有实验结果验证了本文模拟结果,分析了三结太阳电池短路电流、开路电压、最大功率、光谱响应随质子能量的变化规律,利用不同辐照条件下三结太阳电池最大输出功率退化结果,拟合得到了三结太阳电池最大输出功率随位移损伤剂量的退化曲线.研究结果表明,质子辐照会在三结太阳电池中引入位移损伤缺陷,使得少数载流子扩散长度退化幅度随质子能量的减小而增大,从而导致三结太阳电池相关电学参数的退化随质子能量的减小而增大.相同辐照条件下,中电池光谱响应退化幅度远大于顶电池光谱响应退化幅度,中电池抗辐照性能较差,同时中电池长波范围内光谱响应的退化幅度比短波范围更大,表明中电池相关电学参数的退化主要来源于基区损伤.

质子辐照下4T CMOS图像传感器满阱容量退化模拟研究

以4T CMOS有源像素图像传感器为研究对象,开展了10 MeV不同注量质子辐照导致图像传感器满阱容量性能退化模拟研究,建立了CMOS图像传感器结构模型和质子辐照模型;结合满阱容量计算模型,分析了不同注量质子辐照对光电二极管(PPD)电容、TG沟道势垒及浮置节点(FD)与衬底形成的耗尽层的影响,揭示了辐照诱导满阱容量退化机理;在CMOS图像传感器结构设计基础上,提出了抗辐射设计方案。研究结果表明,质子辐照在氧化层中引入大量的氧化物陷阱电荷和界面态,使得PPD耗尽层展宽,导致光电二极管(PPD)电容下降;质子辐照在氧化层中产生正氧化物陷阱电荷,使得TG传输门沟道Si-SiO_(2)界面处产生感应负电荷,造成TG沟道势垒下降,暗电流增加,间接导致满阱容量下降;通过增大耗尽层中的重掺杂浓度和结深,采用非均匀沟道掺杂及在光电二极管与FD节点之间加入P型注入层并增大浓度,可有效提高PPD电容抗质子辐照能力。

CMOS图像传感器中子位移辐照损伤效应仿真模拟研究

以180 nm工艺钳位光电二极管(PPD)像素结构的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)为研究对象,通过开展CIS像素单元的器件物理建模、中子辐照损伤效应建模,分别仿真模拟了不同中子辐照注量、不同积分时间、不同缺陷类型条件下,中子位移辐照损伤诱发CIS暗信号和电荷转移损失(CTI)的退化规律。仿真模拟结果表明:暗信号和CTI均随中子辐照注量增大而增大,在达到饱和阈值之前,均呈近似线性关系;在相同的中子辐照注量下,积分时间越长,暗信号越大,CTI越小;多空位中心(E_(c)-0.46 eV)、双空位中心(E_(c)-0.42eV)、C_(i)-O_(i)中心(E_(V)+0.36 eV)3种不同体缺陷对暗信号和CTI退化的影响程度不同,E_(c)-0.46 eV是诱发暗信号和CTI退化的主要因素。仿真模拟的变化趋势与辐照实验测试的变化趋势相吻合。该仿真模拟研究为深入揭示CIS中子位移辐照损伤效应机理及抗辐射加固技术研究提供了理论依据。

位移损伤诱发CMOS图像传感器电荷转移损失退化的理论模拟研究

以4T PPD(4个晶体管的钳位光电二极管)型CMOS图像传感器为研究对象,开展注量为1×10^(11),3×10^(11),5×10^(11),7×10^(11),1×10^(12) neutron/cm^(2)的中子辐照下损伤模拟的研究,建立CMOS图像传感器的器件模型和不同注量中子辐照后位移损伤的缺陷模型;采用相关双采样技术测量由亮到暗连续两帧时序脉冲下浮置节点(FD)的输出值,建立测量电荷转移损失(CTI)的模拟方法;获得CTI随中子辐照注量的变化关系,分析CTI随中子累积注量的变化规律,结合中子辐照效应实验验证中子辐照诱发CTI退化的理论模拟计算结果的有效性。研究结果表明,CMOS图像传感器的位移损伤敏感区域为空间电荷区域,中子辐照后会在空间电荷区中引入位移损伤缺陷,这些缺陷通过不断俘获和发射载流子,使信号电荷不能快速转移到FD中,造成电荷转移损失;电荷转移损失随着中子辐照注量的增加而增大,二者在一定范围内呈线性关系。