資料介紹
今天,互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感器(CIS),又稱有源像素傳感器(APS),是最流行的成像技術(shù),每年生產(chǎn)數(shù)十億種圖像傳感器,它們占成像儀市場的90%左右,幾年內(nèi)應(yīng)該超過95%。。與電荷耦合器件(CCD)的主要替代成像技術(shù)相比,CISS具有功耗低、集成度高、速度快和集成芯片(甚至像素內(nèi)部)先進CMOS功能的能力等主要優(yōu)點。由于最新的技術(shù)創(chuàng)新,CISS目前,在圖像質(zhì)量和靈敏度方面與CCD的性能相匹配,甚至在數(shù)字單透鏡反射、科學(xué)儀器和機器視覺等高端應(yīng)用中也處于領(lǐng)先地位。由于這些優(yōu)點,CISS還可用于惡劣的輻射環(huán)境中的應(yīng)用,例如:空間應(yīng)用、X射線醫(yī)學(xué)成像、電子顯微鏡、核設(shè)施監(jiān)測和遠程處理(核電廠、核廢物儲存庫、核物理設(shè)施…)、粒子檢測和成像。軍事應(yīng)用等。設(shè)計、加固和測試此類應(yīng)用的傳感器需要了解暴露于輻射源時的CIS行為。自發(fā)明以來,進一步了解和提高APS固有良好的輻射硬度一直是人們感興趣的話題。與舊的相比,隨著CIS技術(shù)的深入發(fā)展(如本文所討論的)帶來的新行為的出現(xiàn),這種興趣也在不斷增加。早期工作中使用的R代主流CMOS工藝。
本章的目的是概述當暴露在高能粒子輻射場中時,可經(jīng)受現(xiàn)代順式結(jié)構(gòu)的寄生效應(yīng)。
APS、CIS和單片有源像素傳感器(MAPS)指定了相同類型的CMOS集成電路(IC):一個像素陣列,每個像素內(nèi)有一個光電探測器和一個放大器。根據(jù)社區(qū)的不同,可以優(yōu)先使用其中一個名稱。APS是一個通用術(shù)語,CIS主要用于成像應(yīng)用,而MAPS是粒子檢測領(lǐng)域的主要術(shù)語,與混合檢測器相比,它強調(diào)了設(shè)備的整體性。在大多數(shù)情況下,CIS是一種使用為成像應(yīng)用優(yōu)化的CMOS工藝(稱為CIS工藝)制造的APS,而MAPS通常使用標準或高壓CMOS工藝制造,其主要用途不是光學(xué)成像,而是高能粒子檢測(和成像)。從輻射效應(yīng)來看從本質(zhì)上講,如果光電探測器技術(shù)相同,MAPS和CIS之間就沒有本質(zhì)上的區(qū)別。這意味著,盡管本章關(guān)注的是獨聯(lián)體,但本文所討論的大部分內(nèi)容都適用于這兩個傳感器系列。
本章使用以下輻射效應(yīng)概念來描述高能粒子對順式的影響。請讀者閱讀本書的第一章或本節(jié)中給出的參考文獻,了解這些定義、機制和屬性的起源和局限性。
當穿過構(gòu)成IC的材料層時,電離粒子(例如高能光子(x和γ射線)和帶電粒子(電子、質(zhì)子、重離子…)通過產(chǎn)生電子-空穴對而損失大部分能量。這種過量的電荷載流子可以通過誘發(fā)單事件效應(yīng)(見〔16〕(及其參考文獻)或總電離劑量(TID)效應(yīng)來干擾或損壞IC。當單個粒子產(chǎn)生的電子空穴對足以干擾或損壞IC時,就會發(fā)生SEE,而TID效應(yīng)是電離輻射累積暴露的結(jié)果。
tid(或吸收劑量)表示通過電離作用傳遞給每單位質(zhì)量物質(zhì)的平均能量,這里用Gy(SiO2)(即1J或每千克SiO2的能量)1,2表示。在醫(yī)療和航天應(yīng)用中,電子電路吸收的電離輻射劑量通常低于100Gy-1KGy,而mGy在在電子顯微鏡或核和粒子物理實驗中可以達到鍺。通過本章,讀者應(yīng)記住,被吸收的tid會導(dǎo)致電介質(zhì)中捕獲的正電荷的積聚,在Si/氧化物界面上形成界面狀態(tài),并且這些缺陷密度隨著tid的增加而增加。有關(guān)TID影響的詳細審查,請參閱。
高能粒子也可以通過非電離相互作用在物質(zhì)中失去能量。這些相互作用可以概括為與原子核的直接相互作用,它們通常導(dǎo)致原子核的位移。與電介質(zhì)中主要關(guān)注的TID效應(yīng)相反,原子位移主要是電路中晶體硅部分的問題。與輻射引起的原子位移有關(guān)的效應(yīng)稱為位移損傷效應(yīng),通過非電離相互作用傳遞給每單位質(zhì)量物質(zhì)的平均能量稱為位移損傷劑量(dd)(通常以ev/g(si)表示)。需要注意的是,dd導(dǎo)致硅中缺陷的產(chǎn)生。晶格,可以作為肖克利讀取霍爾(SRH)生成/復(fù)合中心或SRH載流子陷阱。這些缺陷可以以點狀缺陷的形式出現(xiàn)在晶格中,也可以以簇狀缺陷(也稱為非晶態(tài)夾雜)的形式出現(xiàn)。綜述了討論dd概念(尤其是非電離能量損失(NIEL)概念)的起源和局限性的位移損傷效應(yīng)。
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