InGaAs探測器總劑量輻照性能試驗分析

2023年12月13日發(作者：鼎湖山聽泉)

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InGaAs探測器總劑量輻照性能試驗分析?

張航;劉棟斌;李帥;孫振亞;王文全

【摘 要】According to environmental requirement of payload,the total

do irradiation is 2 krad( Si) when the orbit-al altitude is 700km and work

period is 3 years. So the InGaAS detector of the Xenics company should

have the a-bility 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 do of 30 krad( Si) . Main parameters of the

detector was studied before and after irradiation. After irradiation,the dark

current increas and respon of detector decreas with the irradiation

do increament,which indicates that performance of the detector

becomes wor with increasing irradi-ation do. It is analyzed that the

damage mechanisms of detector afterγirradiation,there results provide

reference for the total do resistant irradiation hardening in future.%針對Xenics公司的一款InGaAs探測器,根據載荷工作環境要求,軌道高度700km,在軌工作3年的總劑量輻射為2 krad( Si),技術指標要求探測器的抗總劑量輻射能力要在10 krad( Si)以上。因此對其進行總劑量為30 krad( Si)的60Co-γ輻射試驗[1-2]。對比輻照前后探測器的參數變化,發現隨著總劑量的增加,探測器的暗電流有所增大,響應度有所降低,整體性能略有下降,但滿足指標要求。分析γ輻射對探測器影響的內在機理,為后續InGaAs探測器抗總劑量輻射加固提供依據和參考。

【期刊名稱】《傳感技術學報》

【年(卷),期】2015(000)001 【總頁數】4頁(P19-22)

【關鍵詞】InGaAs探測器;損傷機理;總劑量輻射;暗電流;響應度

【作 者】張航;劉棟斌;李帥;孫振亞;王文全

【作者單位】吉林大學 物理學院，長春130000; 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033;中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033;中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033;中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，長春130033;吉林大學 物理學院，長春130000

【正文語種】中 文

【中圖分類】TN386.5

傳統的CCD探測器只對可見光譜段進行響應,而InxGa1-xAs材料隨著In含量的不同,響應光譜可以在870 nm～3 500 nm范圍內。隨著空間遙感應用的發展,可見光譜段已經不能滿足科學研究的需要,InGaAs材料已經成為一種十分重要的短波紅外探測材料。兩者的響應光譜不同,為了擴大有效載荷的光譜監測范圍,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、可在室溫工作等優點,在儀器的小型化、降低紅外系統成本等方面具有很強的競爭力[3-4],國外已經在空間遙感的多個領域廣泛應用InGaAs探測器[5-7]。近年來,我國隨著Ⅲ～V族材料器件的不斷發展,InGaAs探測器也逐漸應用在光纖通訊和空間遙感等領域,InGaAs探測器光電響應主要集中在紅外譜段,可以為地球大氣譜線測量和環境監測提供數據資料[8]。

InGaAs探測器和Si基CCD探測器都屬于半導體材料。GaAs半導體材料與Si半導體材料相比,在物理性質上有很多優點,比如材料密度、電阻率、電子遷移率上,GaAs半導體材料都遠大于Si半導體。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數量級。為了評估InGaAs探測器在空間遙感應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境中的抗輻照能力。針對項目需求,我們選擇Xenics公司的一款InGaAs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探測器設計了一套總劑量輻照裝置[9-10],介紹試驗過程,并分析輻照前后的參數變化和機理。

1.1 輻射試驗條件

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 ℃的大氣環境中,分別在總劑量達到5 krad(Si)、10

krad(Si)、15 krad(Si)、20 krad(Si)、30 krad(Si)時對InGaAs探測器進行參數測試,并與初始值進行對比。測試參數包括暗信號、響應度、DN值隨積分時間的變化關系以及DN值隨積分時間變化關系的線性擬合相關系數。

從5片InGaAs探測器中隨機抽取一片作為試驗樣品,編號為8182,該探測器為線陣探測器,有2 048個像元,前后各有8個啞像元,輸出結構分為上下兩部分,奇數像元從頂部寄存器(Top ROIC)輸出,偶數像元從底部寄存器(Bottom ROIC)輸出。探測器結構如圖1所示。

在空間環境中,探測器在加電工作狀態下比不加電狀態更容易受輻照影響。為了測試更準確,我們單獨設計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過程中工作在典型狀態下。

1.2 試驗方法與過程

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

輻照前,先對樣品進行初值測試,確定系統正常后將樣品和配套電路送入輻照室。將輻照樣品放在預定位置進行輻照,以16 rad(Si)/s的劑量率,當累積劑量分別達到5

krad(Si)、10 krad(Si)、15 krad(Si)、20 krad(Si)、30 krad(Si)時,降源取出樣品作移位測試,為防止輻照后的退火效應,參數測試時間不超過20 min[11-12]。試驗流程如圖3所示。

1.3 試驗數據

試驗數據如表2所示。

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位數字量化,飽和輸出DN值為65536,暗場情況下有2 550左右個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。這是因為γ射線與器件相互作用發生康普頓散射,產生康普頓電子,使得物質內部載流子濃度增加,這就是γ輻照帶來的電離效應。同時,γ輻照還會帶來位移效應,它在半導體中產生位移損傷,在器件材料中引入晶格損傷或者形成點缺陷和缺陷團。這些缺陷在半導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,從而降低少數載流子的壽命,導致產生-復合電流增加,使探測器的暗電流增加。同時,γ輻照還會帶來表面效應,增大表面復合速度,使得表面漏電流變大[13-16]。從數據上發現,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,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,半導體中的缺陷密度較大,使得產生-復合電流成為暗電流的主要成分,當總劑量不足夠大時,輻照損傷帶來的暗電流并不明顯[17-19]。

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

DN值隨積分時間變化關系的斜率:我們在一個固定的輻亮度下,改變InGaAs探測器的積分時間分別為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間的變化關系。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,雖然輻射會降低器件的響應度,但是并不影響器件輸出隨積分時間的等比例增加,即輸出的DN與積分時間仍然呈線性關系,且比例不變。

為了測試Xenics公司的一款InGaAs探測器的抗輻照能力,我們設計了一套60Co-γ總劑量輻射測試設備,對探測器樣品進行總劑量為30 krad(Si)的輻照試驗。試驗結果表明,隨著總劑量的增加,器件的暗電流增加,響應度降低,性能稍有下降。當總劑量達到30 krad(Si)時,器件性能影響仍然不明顯,滿足技術指標中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行加固,即采用抗輻射材料加固器件以及在外殼和架構上的鋁板外涂覆抗輻射材料以加強對輻射的屏蔽[25]。

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