張 航,劉棟斌,李 帥,孫振亞,王文全

(1.吉林大學(xué) 物理學(xué)院,長春 130000;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春 130033)

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InGaAs探測器總劑量輻照性能試驗(yàn)分析*

張 航1,2,劉棟斌2,李 帥2,孫振亞2,王文全1*

(1.吉林大學(xué) 物理學(xué)院,長春 130000;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,長春 130033)

針對Xenics公司的一款I(lǐng)nGaAs探測器,根據(jù)載荷工作環(huán)境要求,軌道高度700km,在軌工作3年的總劑量輻射為2 krad(Si),技術(shù)指標(biāo)要求探測器的抗總劑量輻射能力要在10 krad(Si)以上。因此對其進(jìn)行總劑量為30 krad(Si)的60Co-γ輻射試驗(yàn)[1-2]。對比輻照前后探測器的參數(shù)變化,發(fā)現(xiàn)隨著總劑量的增加,探測器的暗電流有所增大,響應(yīng)度有所降低,整體性能略有下降,但滿足指標(biāo)要求。分析γ輻射對探測器影響的內(nèi)在機(jī)理,為后續(xù)InGaAs探測器抗總劑量輻射加固提供依據(jù)和參考。

InGaAs探測器;損傷機(jī)理;總劑量輻射;暗電流;響應(yīng)度

傳統(tǒng)的CCD探測器只對可見光譜段進(jìn)行響應(yīng),而InxGa1-xAs材料隨著In含量的不同,響應(yīng)光譜可以在870 nm～3 500 nm范圍內(nèi)。隨著空間遙感應(yīng)用的發(fā)展,可見光譜段已經(jīng)不能滿足科學(xué)研究的需要,InGaAs材料已經(jīng)成為一種十分重要的短波紅外探測材料。兩者的響應(yīng)光譜不同,為了擴(kuò)大有效載荷的光譜監(jiān)測范圍,通常需要兩種探測器配合使用。由InGaAs材料制作的短波紅外探測器具有靈敏度高、量子效率高、可在室溫工作等優(yōu)點(diǎn),在儀器的小型化、降低紅外系統(tǒng)成本等方面具有很強(qiáng)的競爭力[3-4],國外已經(jīng)在空間遙感的多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用InGaAs探測器[5-7]。近年來,我國隨著Ⅲ～V族材料器件的不斷發(fā)展,InGaAs探測器也逐漸應(yīng)用在光纖通訊和空間遙感等領(lǐng)域,InGaAs探測器光電響應(yīng)主要集中在紅外譜段,可以為地球大氣譜線測量和環(huán)境監(jiān)測提供數(shù)據(jù)資料[8]。

InGaAs探測器和Si基CCD探測器都屬于半導(dǎo)體材料。GaAs半導(dǎo)體材料與Si半導(dǎo)體材料相比,在物理性質(zhì)上有很多優(yōu)點(diǎn),比如材料密度、電阻率、電子遷移率上,GaAs半導(dǎo)體材料都遠(yuǎn)大于Si半導(dǎo)體。特別是它的禁帶寬度比較大,對γ射線有較高的抗輻照能力,許多研究結(jié)果表明,GaAs探測器比Si探測器能承受的輻射劑量一般高兩個(gè)數(shù)量級。為了評估InGaAs探測器在空間遙感應(yīng)用中受到的總劑量輻射損傷,我們需要定量的測試其在宇宙射線環(huán)境中的抗輻照能力。針對項(xiàng)目需求,我們選擇Xenics公司的一款I(lǐng)nGaAs探測器,通過對大氣譜線的測量和反演,探測地球大氣中氣溶膠的含量。本文首先針對InGaAs探測器設(shè)計(jì)了一套總劑量輻照裝置[9-10],介紹試驗(yàn)過程,并分析輻照前后的參數(shù)變化和機(jī)理。

1 輻射試驗(yàn)過程

1.1 輻射試驗(yàn)條件

以14萬居里的60Co-γ射線源作為輻射源,輻射劑量率為16 rad(Si)/s,輻射總劑量為30 krad(Si)。在室溫25 ℃的大氣環(huán)境中,分別在總劑量達(dá)到5 krad(Si)、10 krad(Si)、15 krad(Si)、20 krad(Si)、30 krad(Si)時(shí)對InGaAs探測器進(jìn)行參數(shù)測試,并與初始值進(jìn)行對比。測試參數(shù)包括暗信號、響應(yīng)度、DN值隨積分時(shí)間的變化關(guān)系以及DN值隨積分時(shí)間變化關(guān)系的線性擬合相關(guān)系數(shù)。

從5片InGaAs探測器中隨機(jī)抽取一片作為試驗(yàn)樣品,編號為8182,該探測器為線陣探測器,有2 048個(gè)像元,前后各有8個(gè)啞像元,輸出結(jié)構(gòu)分為上下兩部分,奇數(shù)像元從頂部寄存器(Top ROIC)輸出,偶數(shù)像元從底部寄存器(Bottom ROIC)輸出。探測器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在空間環(huán)境中,探測器在加電工作狀態(tài)下比不加電狀態(tài)更容易受輻照影響。為了測試更準(zhǔn)確,我們單獨(dú)設(shè)計(jì)了探測器前端板和信號處理板,其中前端板連同InGaAs探測器暴露在60Co-γ射線環(huán)境中,信號處理板被10 cm厚的鉛磚屏蔽。這樣可以保證探測器在試驗(yàn)過程中工作在典型狀態(tài)下。

圖1 InGaAs探測器輸出結(jié)構(gòu)

圖2 KLI-2113線陣CCD輻照偏置原理圖

表1 InGaAs探測器的主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法與過程

我們依據(jù)GJB548B—2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中1019.2電離輻射(總劑量)試驗(yàn)程序進(jìn)行試驗(yàn)。

輻照前,先對樣品進(jìn)行初值測試,確定系統(tǒng)正常后將樣品和配套電路送入輻照室。將輻照樣品放在預(yù)定位置進(jìn)行輻照,以16 rad(Si)/s的劑量率,當(dāng)累積劑量分別達(dá)到5 krad(Si)、10 krad(Si)、15 krad(Si)、20 krad(Si)、30 krad(Si)時(shí),降源取出樣品作移位測試,為防止輻照后的退火效應(yīng),參數(shù)測試時(shí)間不超過20 min[11-12]。試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 輻射試驗(yàn)流程框圖

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 8121號樣品試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 參數(shù)分析

暗電流:暗電流指的是探測器在沒有光感也沒有其他形式輸入的情況下輸出的電流。如圖4所示(探測器輸出我們采用16位數(shù)字量化,飽和輸出DN值為65536,暗場情況下有2 550左右個(gè)DN值),隨著γ輻照總劑量的提高,InGaAs探測器的暗電流有微小的增加。這是因?yàn)棣蒙渚€與器件相互作用發(fā)生康普頓散射,產(chǎn)生康普頓電子,使得物質(zhì)內(nèi)部載流子濃度增加,這就是γ輻照帶來的電離效應(yīng)。同時(shí),γ輻照還會(huì)帶來位移效應(yīng),它在半導(dǎo)體中產(chǎn)生位移損傷,在器件材料中引入晶格損傷或者形成點(diǎn)缺陷和缺陷團(tuán)。這些缺陷在半導(dǎo)體中引入處于禁帶中央附近的深能級,隨著γ輻照總劑量的增加,深能級的缺陷密度和俘獲截面也隨之增大,從而降低少數(shù)載流子的壽命,導(dǎo)致產(chǎn)生-復(fù)合電流增加,使探測器的暗電流增加。同時(shí),γ輻照還會(huì)帶來表面效應(yīng),增大表面復(fù)合速度,使得表面漏電流變大[13-16]。從數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn),隨著輻照劑量的增加,暗電流有微小的增加。暗電流變化不明顯的原因有兩個(gè),首先輻照總劑量不夠大;更重要的原因是探測器吸收層與襯底的晶格失配比較大,半導(dǎo)體中的缺陷密度較大,使得產(chǎn)生-復(fù)合電流成為暗電流的主要成分,當(dāng)總劑量不足夠大時(shí),輻照損傷帶來的暗電流并不明顯[17-19]。

圖4 InGaAs探測器樣品暗信號變化

響應(yīng)度:如圖5所示,InGaAs探測器隨著輻照總劑量的遞增,響應(yīng)度也相對應(yīng)的有所下降[20-21]。在理想情況下,我們近似的認(rèn)為電荷包可以無損、快速、完全的從一個(gè)勢阱轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢阱中。但是在實(shí)際情況下,每一次的電荷轉(zhuǎn)移都有消耗[22]。當(dāng)器件受到輻照后,溝道中由于輻照帶來的損傷所誘發(fā)的缺陷可能俘獲掉光生載流子,使得電荷包不能完全的轉(zhuǎn)移到下一個(gè)勢阱中,導(dǎo)致器件的響應(yīng)度降低。

圖5 InGaAs探測器樣品響應(yīng)度變化

DN值隨積分時(shí)間變化關(guān)系的斜率:我們在一個(gè)固定的輻亮度下,改變InGaAs探測器的積分時(shí)間分別為160 μs、1 600 μs、3 200 μs、6 400 μs、8 000 μs采集保存圖像,通過這五幅圖像,計(jì)算其灰度平均值,按最小二乘法[23-24],擬合出一條直線,該直線的斜率即表征探測器輸出隨積分時(shí)間的變化關(guān)系。從圖表中我們可以看出,輻射總劑量對該斜率幾乎沒有影響,雖然輻射會(huì)降低器件的響應(yīng)度,但是并不影響器件輸出隨積分時(shí)間的等比例增加,即輸出的DN與積分時(shí)間仍然呈線性關(guān)系,且比例不變。

3 結(jié)論

為了測試Xenics公司的一款I(lǐng)nGaAs探測器的抗輻照能力,我們設(shè)計(jì)了一套60Co-γ總劑量輻射測試設(shè)備,對探測器樣品進(jìn)行總劑量為30 krad(Si)的輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著總劑量的增加,器件的暗電流增加,響應(yīng)度降低,性能稍有下降。當(dāng)總劑量達(dá)到30 krad(Si)時(shí),器件性能影響仍然不明顯,滿足技術(shù)指標(biāo)中10 krad(Si)的抗輻照要求。為了保證在軌工作期間,探測器的性能一致,我們將采用附加屏蔽的辦法進(jìn)行加固,即采用抗輻射材料加固器件以及在外殼和架構(gòu)上的鋁板外涂覆抗輻射材料以加強(qiáng)對輻射的屏蔽[25]。

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Analysis of Total Dose Irradiation Test for InGaAs Detector*

ZHANGHang1,2,LIUDongbin2,LIShuai2,SUNZhenya2,WANGWenquan1*

(1.College of Physics,Jilin University,Changchun 130000,China;2.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China)

According to environmental requirement of payload,the total dose irradiation is 2 krad(Si)when the orbital altitude is 700km and work period is 3 years.So the InGaAS detector of the Xenics company should have the ability of 10 krad(Si)resistant radiation.In order to study the characteristics of this InGaAs detector,irradiation test was conducted using a Cobalt60-γ with the total dose of 30 krad(Si).Main parameters of the detector was studied before and after irradiation.After irradiation,the dark current increases and response of detector decreases with the irradiation dose increasement,which indicates that performance of the detector becomes worse with increasing irradiation dose.It is analyzed that the damage mechanisms of detector after γ irradiation,there results provide reference for the total dose resistant irradiation hardening in future.

InGaAs detector;damage mechanism;total dose radiation;dark current;response

張 航(1984-),男,助理研究員,碩士,主要從事空間光學(xué)成像技術(shù)方面的研究,panni0119_cn@sina.com;

王文全(1968-),男,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事稀土化合物及金屬合金的磁性研究,wangwq@jlu.edu.cn。

項(xiàng)目來源:國家863計(jì)劃重大項(xiàng)目(2011AA12A103)

2014-01-28 修改日期:2014-05-04

C:22550R;2570D

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.01.004

TN386.5

A

1004-1699(2015)01-0019-04