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。     

CMOS图像传感器辐射敏感参数测试电路设计及试验验证

以航天领域广泛应用的CMV4000型CMOS图像传感器(CIS)为研究对象,通过开展CIS辐射敏感参数测试电路设计,将CIS辐照电路板与测试电路板中FPGA数据采集及传输板分离,辐照电路板与测试电路板通过接插口通信,从而实现开展辐照试验时对FPGA数据采集部分进行辐射屏蔽防护,避免FPGA数据采集板受到辐射影响。开展了CIS测试电路中的电源模块、数据采集、存储模块、外围电路等设计及PCB版图的布局布线设计。采用Verilog HDL硬件描述语言对各个功能模块进行驱动时序设计,实现CIS辐射敏感参数测试功能。通过开展CMV4000型CIS ⁶⁰Co γ射线辐照试验,分析了平均暗信号、暗信号非均匀性、暗信号分布等辐射敏感参数随总剂量增大的退化规律,验证了CIS辐射敏感参数测试系统的可靠性。     

半导体激光器辐照损伤效应实验研究进展

半导体激光器(LD)工作在空间辐射或核辐射环境中时,会受到辐照损伤的影响而导致器件性能退化。文章回顾了不同时期研制的LD(从早期的GaAs LD到量子阱LD和量子点LD)在辐照效应实验方面的研究进展,梳理了国际上开展不同辐射粒子或射线(质子、中子、电子、伽马射线)诱发LD辐射敏感参数退化的实验规律,分析总结了当前LD辐照效应实验方法研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展LD的辐照效应实验方法、退化规律、损伤机理及抗辐射加固技术研究提供理论指导和实验技术支持。     

中子辐照对彩色CMOS图像传感器性能的影响

对一种彩色互补金属氧化物半导体(CM0S)图像传感器芯片进行了反应堆中子的辐照实验研究,利用图像分析软件分析了辐照前后芯片的暗输出图像的平均暗输出、暗输出不均匀性和动态范围等参数;与γ射线辐照很不相同,中子辐照器件的暗输出图像上出现许多大而密的斑点和条纹,图像上有很多白点和白点串;经过长时间室温退火后的图像质量没有明显改善.文章初步探讨了CMOS图像传感器的辐照损伤机理.     

中子辐照对彩色CMOS图像传感器性能的影响

对一种彩色互补金属氧化物半导体(CM0S)图像传感器芯片进行了反应堆中子的辐照实验研究,利用图像分析软件分析了辐照前后芯片的暗输出图像的平均暗输出、暗输出不均匀性和动态范围等参数;与γ射线辐照很不相同,中子辐照器件的暗输出图像上出现许多大而密的斑点和条纹,图像上有很多白点和白点串;经过长时间室温退火后的图像质量没有明显改善.文章初步探讨了CMOS图像传感器的辐照损伤机理.     

COTS器件的空间辐射效应与对策分析

空间辐射环境是影响COTS(Commercial-off-the-shelf)器件的主要空间环境要素之一。通过分析空间辐射环境的主要来源,研究了空间辐射环境诱发的辐射效应,主要包括单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应等,提出了针对关键COTS器件的抗辐照的防护措施。     

基于SOI工艺的高可靠有源像素研究

基于SOI衬底材料提出了一种新型的 CMOS图像传感器有源像素结构,建立了与之相对应的二维器件仿真模型,利用Sentaurus Device仿真工具对该结构的单粒子效应（Single-Event Effects）进行了模拟仿真研究。仿真结果显示在像素周围引入P+重掺杂保护层能够有效隔离像素使受辐射像素相邻像素收集到的噪声电子数减小,证明此像素结构具有一定的抗单粒子辐照性能。     

抗辐射电子学研究综述

抗辐射电子学是一门交叉性、综合性的学科,其研究的辐射效应规律、损伤作用机制、加固设计方法、试验测试方法、建模仿真方法等对极端恶劣环境中的电子系统的可靠工作至关重要。对核爆炸中子、γ和X射线,空间和大气高能粒子产生的各种损伤效应(如瞬时剂量率效应、总剂量效应、单粒子效应、位移效应等)的研究现状进行了系统梳理。对辐射之间、辐射和环境应力之间的协同损伤效应(如长期原子迁移对瞬时剂量率感生光电流的影响,中子和γ射线同时辐照与序贯辐照、单因素辐照的损伤差异,质子和X射线、中子辐照的损伤差异,γ射线辐照与环境氢气的协同损伤效应等)的研究进展进行了详细介绍。阐述了国内外在核爆、空间和大气辐射加固研究方面的最新技术进展。总结了国内外在地面实验室对空间、大气或核爆辐射各种效应进行试验模拟和建模仿真的相关能力。最后对21世纪20年代以后抗辐射电子学研究领域潜在的挑战和关键技术进行了展望。     

不同偏置下CCD器件γ射线及质子辐射研究

电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器,在空间应用环境下受辐射效应作用导致CCD性能退化甚至失效。对于CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究,辐照试验中CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感,因此针对CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁,开展不同辐照偏置下CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟CCD器件,开展不同偏置条件下的γ射线和质子辐照试验,获得了CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应,位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对CCD辐射效应的影响机制。研究表明,γ射线辐照下CCD的偏置产生重要影响,质子辐照下没有明显的偏置效应。根据CCD结构和辐照后的退火试验结果,对CCD的辐射效应损伤机理进行分析。     

CMOS APS 器件及其在星敏感器中的应用

介绍了CMOS有源像元图像传感器(APS)的原理与结构特点,阐述了CMOS APS与CCD比较应用于星敏感器的潜在优势,详细介绍了CMOS图像传感器在星敏感器中的应用现状,并对基于CMOS APS与基于CCD的星敏感器的测量精度结果进行对比,展望了CMOS APS星敏感器的发展前景.     

SPICE Models of Fluorine-Ion-Irradiated CMOS Devices

CMOS image sensors are attractive for space applications due to their low-power and system-on-chip features. The typical active pixel sensor (APS) is composed of a photodiode and several transistors. Using Fluorine +7 ions with an energy of 17 MeV, the effects of radiation are investigated on photodiodes and transistors manufactured using a standard 0.35-mum CMOS process. Simulation results show that the range of these ions overlaps with the active region of the device. Thus, the proximity effect of the ions on the performance of the device can be important. The tested photodiode showed a leakage current increase after it was irradiated with fluorine ions. The ideality factor of recombination current is observed to increase up to 4. Moreover, an increase in leakage current and absolute threshold voltage was observed in fluorine-ion-irradiated nMOS and pMOS transistors. In this paper, behavioral SPICE models are developed to analyze the contribution of these components to an overall increase in dark current of a CMOS APS.     

Total dose and displacement damage effects in a radiation-hardened CMOS APS

A 512/spl times/512 CMOS active pixel sensor (APS) was designed and fabricated in a standard 0.5-/spl mu/m technology. The radiation tolerance of the sensor has been evaluated with Co-60 and proton irradiation with proton energies ranging from 11.7 to 59 MeV. The most pronounced radiation effect is the increase of the dark current. However, the total ionizing dose-induced dark current increase is orders of magnitude smaller than in standard devices. It behaves logarithmically with dose and anneals at room temperature. The dark current increase due to proton displacement damage is explained in terms of the nonionizing energy loss of the protons. The fixed pattern noise does not increase with total ionizing dose. Responsivity changes are observed after Co-60 and proton irradiation, but a definitive cause has not yet been established.     

TCD132D线阵CCD总剂量效应的实验分析

研究了60Coγ辐照TCD132D线阵CCD的总剂量效应实验结果;分析了CCD受总剂量效应影响后暗信号和饱和输出电压的典型波形;得出了CCD分别在不加偏置电压、加偏置电压加驱动信号和加偏置电压不加驱动信号三种工作状态下,受60Coγ辐照后暗信号电压和饱和输出电压随总剂量累积的变化规律,并进行了损伤机理分析。     

CCD辐射损伤效应及加固技术研究进展

综述了电荷耦合器件(CCD)在空间环境和核辐射领域中的辐射效应研究进展;阐述了不同粒子辐照CCD的损伤效应机理及暗电流、平带电压和电荷转移效率等敏感参数的退化机制;从制造工艺、器件结构、工作模式等方面介绍了CCD抗辐射加固技术;分析了CCD辐射效应研究的发展趋势。     

The effects of deuterium annealing on the reduction of dark currents in the CMOS APS

The effects of low-temperature deuterium annealing on the reduction of dark currents in the CMOS active pixel sensor (APS) have been investigated. Experimental results reveal that deuterium annealing is more effective in reducing dark currents of the CMOS APS than conventional forming gas annealing, because it shows the enhanced passivation efficiency of the interface traps located in the sidewall of the shallow trench isolation. From the characterization results of test structures, it is found that the dark currents generated from the photodiode and floating diffusion node region can be reduced more effectively by using the deuterium annealing process.     

CMOS图像传感器总剂量辐照效应及加固技术研究进展

CMOS图像传感器(CIS)在空间辐射或核辐射环境中应用时,均会受到总剂量辐照损伤的影响,严重时甚至导致器件功能失效.文章从微米、超深亚微米到纳米尺度的不同CIS生产工艺、从3T PD(Photodiode)到4T PPD(Pinned Photodiode)的不同CIS像元结构、从局部氧化物隔离技术(LOCOS)到浅槽隔离(STI)的不同CIS隔离氧化层等方面,综述了CIS总剂量辐照效应研究进展.从CIS器件工艺结构、工作模式和读出电路加固设计等方面简要介绍了CIS抗辐射加固技术研究进展.分析总结了目前CIS总剂量辐照效应及加固技术研究中亟待解决的关键技术问题,为今后深入开展相关研究提供理论指导.     

CCD位移辐射效应损伤机理分析

研究了电荷耦合器件(CCD)位移辐射效应的损伤机理。分析了位移损伤诱发的体缺陷对CCD工作性能的影响。研究了位移损伤导致CCD电荷转移效率降低、体暗电流密度增大、暗电流尖峰以及随机电码信号(RTS)出现的规律和机理。     

MOS器件在不同源辐照下总剂量效应的异同性研究

介绍了加固型CMOS电路在^60Co—γ射线源、10MeV以下的质子、1～2MeV的电子等辐射源辐照下的总剂量效应实验。结果表明，在相同吸收剂量和 5V栅压的偏置条件下，1MeV的电子与^60Co—γ射线源对器件的损伤相当。质子与^60Co-γ射线源对器件的辐射损伤，在不同的栅压偏置下有不同的结果。 5V栅压下，能量在10MeV以下的质子对器件的损伤小于^60Co-γ射线源，且质子对器件的辐射损伤随着质子能量的增加而增加；在零栅压的偏置条件下，质子对器件的损伤与^60Co-γ射线源对器件的损伤相当。通过对实验结果的分析认为，用实验室常用的^60Co-γ射线源可以模拟MOS器件在质子、电子辐射环境下的最劣总剂量效应。     

Considerations for the development of radiation resistant devices and VLSI circuits

The impact of radiation on Very Large Scale Integration (VLSI) silicon technology is discussed with a focus on Complimentary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS). Effects of total dose, transient radiation, single event phenomena, and neutron fluence on devices and circuits are presented. General approaches to mitigating radiation effects are put forth. With proper considerations, VLSI CMOS can be enhanced to achieve several orders-of-magnitude increase in radiation tolerance.