基于像素单元的CMOS图像传感器辐射损伤机理研究

CMOS图像传感器由于具有集成度高、功耗低、电学功能全面等优点，已开始应用于空间光学载荷中。然而，空间辐射环境作用于CMOS图像传感器造成的辐射损伤可导致电路的性能退化甚至失效。所以，需要研究CMOS图像传感器的辐射效应及损伤机理，为评估电路的辐射损伤和发展抗辐射加固工艺提供理论指导。.目前，CMOS图像传感器的辐射效应研究都是以整体电路作为研究对象，很难深入分析电路内部辐照感生缺陷的机制，无法定量揭示辐射损伤机理。本项目将CMOS图像传感器的像素单元与整体电路相结合开展辐射损伤机理研究。在CMOS图像传感器的像素单元级建立辐照感生缺陷的定量分离测试方法，结合整体电路的辐照响应特性研究，以获取电路内部辐照感生缺陷与辐照响应特性的关系，最终定量揭示电路的辐射损伤机理。.本项目的实施将促进CMOS图像传感器抗辐射加固工艺的发展，为建立CMOS图像传感器的辐射损伤评估方法和标准奠定理论基础。

CMOS图像传感器（CMOS APS）由于具有集成度高、功耗低、电学功能全面等优点，已开始应用于空间光学载荷中。然而，空间辐射环境作用于CMOS APS造成的辐射损伤可导致电路的性能退化甚至失效。所以，需要研究CMOS APS的辐射效应及损伤机理，为评估电路的辐射损伤和发展抗辐射加固工艺提供理论指导。. 空间辐射环境作用于CMOS APS主要产生累积辐射效应（电离总剂量效应、位移损伤效应）与单粒子效应，本项目主要开展累积辐射效应研究。目前CMOS APS的辐射效应研究都是以整体电路作为研究对象，很难深入分析电路内部辐照感生缺陷的机制，无法定量揭示辐射损伤机理。本项目采用了像素单元与整体电路相结合的方法，以获取电路内部辐照感生缺陷与辐照响应特性的关系。. 首先建立了CMOS APS的辐射效应测试系统与参数测试方法，通过CMOS APS的γ射线、电子、质子、中子辐照试验，获得了器件在不同粒子辐照下的暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出信号等电学参数及光谱响应的变化规律，分析了不同粒子辐照导致的电离总剂量效应、位移损伤效应。通过研究像素单元的辐射损伤与电路性能参数退化的相关性，分析了辐射诱发缺陷与器件电学、光学参数退化的相关性。通过以上研究初步获得了辐射效应与机理的相关结果：r与电子辐照主要导致电离总剂量效应，表现为暗信号、暗信号非均匀性、饱和输出信号产生退化，其机理是辐照在LOCOS场氧中感生氧化物陷阱电荷与界面态，界面态占主导；质子辐照除导致电离总剂量效应，还导致位移损伤，中子辐照主要导致位移损伤。位移损伤主要表现为光谱响应特性发生变化，其机理主要是辐照感生点缺陷、缺陷簇等体损伤，形成禁带中的陷阱能级。. 通过项目实施建立的测试系统与测试方法为国产器件研制、工程应用评估提供了良好的支撑。试验内容设计与国产CMOS APS的设计与工艺充分结合，相关以及结果对CMOS APS抗辐射工艺的发展、辐射损伤评估方法和试验标准的建立具有重要的指导作用。