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碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真

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杨卫涛, 武艺琛, 许睿明, 时光, 宁提, 王斌, 刘欢, 郭仲杰, 喻松林, 吴龙胜. 碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真[J]. 物理学报, 2024, 73(23): 232402-1. doi: 10.7498/aps.73.20241246
引用本文: 杨卫涛, 武艺琛, 许睿明, 时光, 宁提, 王斌, 刘欢, 郭仲杰, 喻松林, 吴龙胜. 碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真[J]. 物理学报, 2024, 73(23): 232402-1. doi: 10.7498/aps.73.20241246
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Wei-Tao Yang, Yi-Chen Wu, Rui-Ming Xu, Guang Shi, Ti Ning, Bin Wang, Huan Liu, Zhong-Jie Guo, Song-Lin Yu, Long-Sheng Wu. Geant4 simulation of Hg1–xCdxTe infrared focal plane array image sensor space proton displacement damage and total ionizing dose effects[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(23): 232402-1. doi: 10.7498/aps.73.20241246
Citation: Wei-Tao Yang, Yi-Chen Wu, Rui-Ming Xu, Guang Shi, Ti Ning, Bin Wang, Huan Liu, Zhong-Jie Guo, Song-Lin Yu, Long-Sheng Wu. Geant4 simulation of Hg1–xCdxTe infrared focal plane array image sensor space proton displacement damage and total ionizing dose effects[J]. Acta Physica Sinica, 2024, 73(23): 232402-1. doi: 10.7498/aps.73.20241246
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碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真

  • 1.

    西安电子科技大学集成电路学部, 西安　710071

  • 2.

    西安理工大学自动化与信息工程学院, 西安　710048

  • 3.

    西安电子科技大学空间科学与技术学院, 西安　710071

  • 4.

    中国电子科技集团公司第十一研究所, 北京　100015

    • 通讯作者: E-mail: yangweitao01@xidian.edu.cn.;  E-mail: lswu@xidian.edu.cn.

  • 中图分类号: 24.10.Lx, 71.55.Eq, 61.80.Jh

Geant4 simulation of Hg1–xCdxTe infrared focal plane array image sensor space proton displacement damage and total ionizing dose effects

  • 1.

    Faulty of Integrated Circuit, Xidian University, Xi’an 710071, China

  • 2.

    School of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China

  • 3.

    School of Aerospace Science and Technology, Xidian University, Xi’an 710071, China

  • 4.

    The 11th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Beijing 100015, China

    • Corresponding authors: E-mail: yangweitao01@xidian.edu.cn.;  E-mail: lswu@xidian.edu.cn.

  • MSC: 24.10.Lx, 71.55.Eq, 61.80.Jh

  • 摘要: 大面阵、高分辨率碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器可用于航天遥感、高精度卫星成像等领域, 我国下一代气象卫星将全部应用此类图像传感器. 然而, 空间高能质子会对碲镉汞红外焦平面阵列探测器造成位移损伤效应, 同时亦会在其像素单元金属氧化物半导体(MOS)管引入电离总剂量效应. 本文以近年来广泛应用于图像传感器的55 nm制造工艺碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器为对象, 基于超大面阵设计时所用的2 pixel×2 pixel基本像素单元, 构建了Geant4仿真模型, 并且进行了不同质子入射注量下的仿真研究, 获得了不同注量下的位移损伤情况, 包括非电离能量损失、离位原子数等. 结果表明, 空间高能质子累积注量为1013 cm–2时, 除了考虑碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器位移损伤效应外, 亦需关注其像素单元MOS管电离总剂量效应. 与此同时, 结合仿真结果对其空间应用环境中的损伤情况进行了初步评估. 该研究可为未来超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间应用提供关键数据支撑.
    Abstract: A large-format, high-resolution Hg1–xCdxTe infrared focal plane array (IRFPA) image sensor can be used in aerospace remote sensing and high-precision satellite imaging. The next generation of meteorological satellites in China will all adopt this type of image sensor. However, space high-energy protons can cause displacement damage effects in Hg1–xCdxTe IRFPA detectors and induce total ionizing dose (TID) effects in the pixel unit metal-oxide-semiconductor (MOS) transistors. This study focuses on a 55nm manufacturing process Hg1–xCdxTe IRFPA sensor widely used in image sensors by using a 2 pixel×2 pixel basic pixel unit model for large-format arrays and constructing a Geant4 simulation model. Simulations are conducted for different proton irradiation fluences, including 1010, 1011, 1012 and 1013 cm–2. The results show the displacement damage under various fluences, including non-ionizing energy loss and displacement atom distribution. It is found that at a proton cumulative fluence of 1013 cm–2, in addition to considering the displacement damage effect in the Hg1–xCdxTe IRFPA sensor, attention must also be paid to the TID effects on the MOS transistors in the pixel units. Additionally, this study provides a preliminary assessment of the damage conditions in the space environment based on simulation results. This study provides crucial data for supporting the space applications of future large-format Hg1–xCdxTe IRFPA image sensors.
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  • 图 1  碲镉汞红外焦平面CMOS图像传感器结构示意图[20]

    Figure 1.  Schematic diagram of Hg1–xCdxTe infrared focal plane CMOS image sensor structure[20].

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    图 2  单像素5T电路结构和2 pixel×2 pixel像素单元版图布局[21]

    Figure 2.  Structure of a single pixel 5T circuit and a 2 pixel×2 pixel layout[21].

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    图 3  碲镉汞红外焦平面阵列质子入射仿真模型简图

    Figure 3.  Simulation schematic of proton striking Hg1–xCdxTe infrared focal plane.

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    图 4  仿真中所用质子能谱[23]

    Figure 4.  The proton spectrum used in the simulation[23].

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    图 5  不同模拟注量下的PKA总数

    Figure 5.  Total PKA number under different fluences in simulation.

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    图 6  不同模拟注量下的PKA分布信息　(a) 1010 cm–2; (b) 1011 cm–2; (c) 1012 cm–2; (d) 1013 cm–2

    Figure 6.  PKA distribution at different simulation fluences: (a) 1010 cm–2; (b) 1011 cm–2; (c) 1012 cm–2; (d) 1013 cm–2.

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    图 7  不同注量质子仿真获得的NIEL信息　(a) 1010 cm–2; (b) 1011 cm–2; (c) 1012 cm–2; (d) 1013 cm–2

    Figure 7.  NIEL under different proton fluences: (a) 1010 cm–2; (b) 1011 cm–2; (c) 1012 cm–2; (d) 1013 cm–2.

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    图 8  注量为1013 cm–2的质子入射碲镉汞阵列产生的不同NIEL

    Figure 8.  NIEL from different interactions at 1013 cm–2.

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    图 9  模拟质子注量为1013 cm–2时Nd在每个分段区间的分布信息

    Figure 9.  Distribution of Nd in each interval at 1013 cm–2 proton fluence.

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    图 10  模拟质子注量为1013 cm–2时整个碲镉汞阵列探测器中的Nd情况

    Figure 10.  Nd in the entire Hg1–xCdxTe array detector at 1013 cm–2 simulated proton fluences.

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    图 11  模拟质子注量为1013 cm–2的DPA分布信息

    Figure 11.  DPA in the Hg1–xCdxTe array detector at 1013 cm–2 simulated proton fluences.

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    图 12  模拟质子注量为1013 cm–2时整个碲镉汞阵列探测器中的DPA

    Figure 12.  The entire DPA in Hg1–xCdxTe array under 1013 cm–2 proton fluences.

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    表 1  不同模拟注量下的PKA种类数目

    Table 1.  The PKA of different fluences in simulation.

    仿真情况入射质子注量/cm–2PKA种类数目
    A101027
    B101136
    C101261
    D1013159
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    表 2  模拟注量为1013 cm–2的质子入射碲镉汞焦平面阵列产生的PKA

    Table 2.  The PKA detail under the proton fluences of 1013 cm–2 in simulation.

    元素 反冲核及占比 比重
    Te 占比>1% Te130(16.44%), Te128(15.70%), Te126(9.56%), Te125(3.63%), Te124(2.47%), Te122(1.36%) 49.71%
    占比<1% Te123, Te120, Te127, Te121, Te129, Te119, Te118
    Hg 占比>1% Hg202(7.87%), Hg200(6.20%), Hg199(4.55%), Hg201(3.50%), Hg198(2.72%), Hg204(1.28%) 26.69%
    占比<1% Hg196, Hg197, Hg194, Hg192, Hg193, Hg191, Hg195, Hg190, Hg189
    Cd 占比>1% Cd114(6.42%), Cd112(5.73%), Cd111(3.08%), Cd110(3.04%), Cd113(2.86%), Cd116(1.67%) 23.59%
    占比<1% Cd106, Cd108, Cd109, Cd104, Cd107, Cd105, Cd115, Cd124
    其他 He4, I126, I124, I123, I125, I128, In112, I127, I129, In111, Sb121, I122,
    I130, In113, Sb117, Sb119, Sb123, In108, Sb120, Sb122, Ag109, Au193, etc    		 0.01%
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    表 3  不同仿真情况下的像素单元MOS管累积电离总剂量情况

    Table 3.  Total ionizing dose in the MOS of pixel under different simulation fluences.

    仿真情况模拟注量/cm–2像素单元MOS管
    电离总剂量/rad
    A10100
    B10110
    C10120
    D10135301.95
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-09-05
  • 刊出日期:  2024-12-05

碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间质子位移损伤及电离总剂量效应Geant4仿真

    通讯作者: E-mail: yangweitao01@xidian.edu.cn.; 
    通讯作者: E-mail: lswu@xidian.edu.cn.
  • 1. 西安电子科技大学集成电路学部, 西安　710071
  • 2. 西安理工大学自动化与信息工程学院, 西安　710048
  • 3. 西安电子科技大学空间科学与技术学院, 西安　710071
  • 4. 中国电子科技集团公司第十一研究所, 北京　100015
  • 收稿日期:  2024-09-05

摘要: 大面阵、高分辨率碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器可用于航天遥感、高精度卫星成像等领域, 我国下一代气象卫星将全部应用此类图像传感器. 然而, 空间高能质子会对碲镉汞红外焦平面阵列探测器造成位移损伤效应, 同时亦会在其像素单元金属氧化物半导体(MOS)管引入电离总剂量效应. 本文以近年来广泛应用于图像传感器的55 nm制造工艺碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器为对象, 基于超大面阵设计时所用的2 pixel×2 pixel基本像素单元, 构建了Geant4仿真模型, 并且进行了不同质子入射注量下的仿真研究, 获得了不同注量下的位移损伤情况, 包括非电离能量损失、离位原子数等. 结果表明, 空间高能质子累积注量为1013 cm–2时, 除了考虑碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器位移损伤效应外, 亦需关注其像素单元MOS管电离总剂量效应. 与此同时, 结合仿真结果对其空间应用环境中的损伤情况进行了初步评估. 该研究可为未来超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器空间应用提供关键数据支撑.

English Abstract

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    1.   引　言

    • 碲镉汞(Hg1–xCdxTe)是一种三元系半导体材料, 因其禁带宽度可调、量子效率和电子迁移率高等特点常用于制备高性能、多用途和新型结构的光子探测器[1,2]. 自20世纪70年代美国首次将碲镉汞光子型红外探测器成功应用于军事气象卫星以来, 碲镉汞红外探测器就在各国空间卫星应用中持续演化、推进[3]. 以我国气象卫星为例, 我国预研中的下一代气象卫星将全部采用碲镉汞焦平面阵列器件[4].

      大面阵、小像元、高分辨率Hg1–xCdxTe红外探测器作为第三代红外探测器的典型代表, 近年来备受青睐[5–7]. 如中国电子科技集团公司第十一研究所研制的8K×8K （K代表1024）超大面阵红外焦平面阵列探测器为宇航高分辨率图像采集提供了巨大潜力[7]. 然而, 空间高能粒子所构成的严酷辐照环境, 可能给大面阵Hg1–xCdxTe红外探测器性能造成影响. 如空间环境中充斥的高能质子既会对Hg1–xCdxTe红外探测器感光单元造成位移损伤效应, 亦会对其像素单元氧化物半导体(MOS)管等造成电离总剂量效应. 在探测器中引入额外的缺陷, 进而影响其暗电流、信噪比等关键信息, 严重时可能导致光电系统瘫痪[8]. 这也是科研人员一直致力于其辐射效应研究的一个关键原因[9–12].

      为了评估空间高能质子对各类图像传感器造成的位移损伤效应等影响, 常用的手段有两种, 即加速器辐照测试和蒙特卡罗仿真模拟研究[13,14]. 虽然加速器辐照测试最为理想, 但受限于辐照机时、辐照过程中的不确定性、测试成本等因素, 无法实现对所有Hg1–xCdxTe红外探测器的辐照测试. 尤其是对大面阵碲镉汞探测器而言, 当其面积达到数百平方厘米以后, 其辐照测试会面临更大挑战. 相比较而言, 针对大面阵Hg1–xCdxTe红外探测器位移损伤效应评估, 蒙特卡罗仿真模拟则能够获得与其效应相关的更多参数和细节, 如初级撞出原子(PKA)的位置、能量、分布, 以及造成的损伤能(Edam), 非电离能量损失(NIEL)和离位原子数(Nd)等信息. 在不同对象的位移损伤效应仿真中, 基于Geant4的仿真模拟是一种常用手段. 近年来, 关于不同材料(如磷化铟、氮化镓、碲锌镉)的Geant4位移损伤效应模拟, 涵盖了质子、中子、重离子等[15–19].

      相比于Xie等[15]、Bai等[16]、Wei等[17]、Li等[18]与He等[19]的仿真模拟主要以自定义尺寸的不同材料探测器结构为主, 本文以近年来广泛应用于图像传感器的55 nm制造工艺, 以Zhe等[7]提到的8K×8K碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器为研究对象, 同时以大面阵设计中通常采用的2 pixel×2 pixel基本像素单元为基础, 构建Geant4仿真模型. 最终评估空间高能质子对碲镉汞红外焦平面阵列探测器的位移损伤影响. 此外, 相比于已有文献大部分主要讨论不同能量点的单能粒子诱发的位移损伤效应, 本文以实际空间能谱作为入射粒子能量信息, 模拟碲镉汞红外焦平面阵列探测器的位移损伤效应. 与此同时, 本研究还讨论了碲镉汞红外焦平面阵列探测器在不同注量质子入射时的电离总剂量情况. 与已有文献相比, 本文实现了对非电离和电离两种累积效应的仿真模拟, 并弥补了国内外对如Zhe等[7]所描述的8K×8K大面阵图像传感器辐射效应仿真模拟研究的缺失. 本研究可为未来采用此类设计的超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器宇航应用提供关键参考.

    2.   碲镉汞红外焦平面探测器模型构建

      2.1.   碲镉汞红外焦平面探测器结构

    • 图1所示为碲镉汞红外焦平面探测器结构示意图[20]. 由图1可知, 整个结构主要包含由碲镉汞像元所组成的焦平面阵列部分以及互补金属氧化物半导体(CMOS)所组成的读出电路部分. 两者通过铟柱以倒扣焊形式相连接. 其中, 像元阵列的大小决定了整个红外焦平面探测器的分辨率. 如Zhe等[7]报道中, 像元阵列达到了8K×8K, 其可实现超高分辨率的红外焦平面图像传感器设计.

      在Zhou等[6]报道中, 中国电子科技集团公司第十一研究所实现了10 μm小像元碲镉汞红外焦平面探测器的研制. 据此推断, 对Zhe等[7]报道中的8K×8K碲镉汞红外焦平面阵列探测器, 若单个像元为10 μm, 则整个像元部分尺寸达81.92 mm× 81.92 mm. 在与读出电路组成完整组件的情况下, 整个焦平面的在水平和垂直方向的尺寸或可达百毫米.

      • 2.2.   Geant4仿真建模

      2.2.1.   碲镉汞探测器累积效应仿真实现

    • Geant4是一款可用于蒙特卡罗模拟仿真的软件, 可模拟半导体中包括位移损伤效应和电离总剂量效应在内的累积辐射效应. 如前所述, 在位移损伤效应仿真中, 其可根据粒子径迹和碰撞过程中的能量传递信息, 模拟PKA的能量、位置以及对应的非电离能量损失等. 而在电离总剂量效应仿真过程中, 其可根据粒子与靶原子相互作用过程中的能量沉积等信息, 模拟氧化物半导体中累积的电离总剂量情况.

      对于本文中的碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器, 主要通过Geant4仿真模拟以获得空间高能质子入射时导致的像素阵列PKA及其NIEL等信息. 与此同时, 针对单个像素单元中的MOS管, 同步模拟其二氧化硅层中的总剂量累积情况, 进而掌握在位移损伤效应探究过程中, 何种注量下, 亦需考虑MOS管总剂量效应影响.

      • 2.2.2.   碲镉汞像素单元建模

    • 对于Zhe等[7]报道中的8K×8K碲镉汞红外焦平面阵列, 其通常是以2 pixel×2 pixel, 4 pixel×4 pixel等像素阵列为重复单元的进行重复结构设计. 因此Geant4仿真建模过程中, 本文亦以2 pixel×2 pixel像素单元为靶探测器, 构建碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器仿真模型. 如果按照Zhou等[6]报道中的10 μm小像元进行设计, 则仿真模型中, X和Y方向尺寸分别为20 μm. 纵向厚度包括碲镉汞探测器厚度、铟柱厚度和55 nm工艺集成电路的纵向厚度. 其中, 碲镉汞红外焦平面像素阵列部分厚度为6 μm. 仿真模型中, 为了避免模型过于复杂, 并未考虑铟柱倒焊之后充胶所引入的有机物等. 图2展示了单像素55 nm工艺下的传统5T晶体管电路结构和2 pixel×2 pixel像素版图示意图[21]. 单像素包括MRST1, MRST, MSF, MFS和MRS五个晶体管. 碲镉汞二极管将红外信号转换为电流信号Iph, 并对积分电容CS1进行积分. 此外, 5T电路结构采用MFS管隔离积分电容CS1和CS2, 以便实现全局曝光操作, MRST管和MRST1管分别执行帧复位和行复位操作. 最终, 存储到积分电容CS2的图像信号经由源级跟随器MSF, 在行选管MRS的控制下逐行接入列总线输出.

      图3为碲镉汞红外焦平面阵列仿真模型简图, 其中单像素用于仿真电离总剂量效应的MOS管, 主要包括MRST1, MRST, MSF, MFS和MRS, 各晶体管在电路版图中的相对布局如图3所示[21]. 仿真模型中亦按照此设置目标探测器.

      仿真中选用的物理模型为QGSP_BIC模型, 该模型涵盖了弹性、非弹性散射和原子嬗变, 以及多次散射、电离和韧致辐射等物理过程[16]. 质子在入射碲镉汞探测器阵列过程中, 可能与靶原子发生弹性或者非弹性碰撞过程, 从而使得靶原子获得一定能量. 当靶原子所获得的能量超过一定阈值(即离位阈能)时, 就会使得原子离开晶格位置, 成为初级撞出原子[18]. 同时, 质子亦有可能与核外电子发生非弹性碰撞而造成电子激发从而产生电离, 而电离剂量随着粒子入射注量的积累, 就会导致电离总剂量效应[22].

      仿真中粒子源为面源入射形式, 尺寸亦为20 μm×20 μm. 所用质子能量为空间环境中的能谱形质子, 而非单能质子, 该能谱形质子生成于CRÈME-96软件, 其描述的是近地轨道空间环境中的质子通量情况[23]. 图4为太阳活动极大年时的近地轨道质子通量情况, 仿真过程中所用粒子源能量即为该能谱.

      分别进行了4×104, 4×105, 4×106和4×107个质子的入射仿真模拟, 对应质子注量分别为1010, 1011, 1012和1013 cm–2. 在碲镉汞焦平面阵列探测器中主要关注的是与位移损伤相关的PKA、损伤能及位置分布等信息. 而在像素单元MOS管结构中, 则主要关注的是电离总剂量情况.

    3.   位移损伤效应模拟

      3.1.   NIEL计算

    • 累积的质子辐照会在碲镉汞晶体结构中造成原子离位, 导致位移损伤效应的出现, 在焦平面阵列中引入缺陷, 影响对红外信号的探测效率和性能. 因为位移损伤效应与非电离能量损失线性相关, 因此, 对位移损伤的分析计算可以转化为对NIEL的分析计算. 而在NIEL的分析计算中, 利用Lindhard 分离函数求解计算NIEL是一种常用方式[24]. 本文亦采用此方式计算NIEL. 与之相关的公式如 (1)式—(7)式:

      式中, Edam(T)是能量为T的初级反冲原子所产生的损伤能; Z1, A1和Z2, A2分别为初级撞出原子的原子序数和质量数以及靶原子对应的原子序数和质量数; 对化合物靶探测器而言, 原子序数与质量数则为加权平均值, 如(5)式和(6)式所示; ρ为靶材料密度, 单位为g/cm3; h为厚度, 单位为cm; n为入射粒子数.

      在X为0.44情况下, Hg0.56Cd0.44Te所对应的Z2和A2数值分别为62和153.41, 密度为7.1 g/cm3. 最终, 通过(7)式构建起损伤能与NIEL之间的关系, 从而为进一步分析位移损伤效应提供支撑.

      • 3.2.   位移损伤仿真结果及分析

    • 通过Geant4仿真, 可以获得不同模拟注量下的PKA种类、损伤能、位置以及NIEL信息. 表1为不同模拟注量下的PKA种类数目信息. 从表1可以看出, 随着模拟质子注量的增加, PKA种类数目逐渐增多. 如在1010 cm–2的质子注量下, PKA种类数目为27, 而在1013 cm–2的质子注量下, PKA种类数目则达到了159, PKA种类数目增加了4.8倍.

      图5为不同模拟注量下的PKA总数, 对于A, B, C, D四种仿真情况, PKA总数分别为8654, 85972, 860104和8615918. 从图5可以看出, 对于位移损伤效应而言, 同一种能量状况的质子入射时, PKA总数变化与注量变化之间呈线性关系. 同时, 结合表1可以看出, 虽然PKA总数变化与注量变化之间呈线性关系, 但是PKA种类的数目变化并不遵循这一关系. 主要表现为注量越大, PKA种类越多. 本文中所模拟的入射质子为能谱状, 而非单能形式, 不同能量的质子在与Hg0.56Cd0.44Te材料发生弹性或者非弹性碰撞时, 存在一定的 截面. 而模拟注量越高, 则意味着碰撞的次数越 多, 随着碰撞次数的增多, 撞出原子的种类也就会越丰富. 这也表明, 在进行位移损伤效应评估时, 应 在 条件允许情况下, 尽可能高的实现辐照注量的累积.

      表2进一步统计了模拟注量为1013 cm–2情况下的PKA信息. 从表2可以看出, PKA为Te的概率最高, 达到了49.71%, 而其中又以Te130和Te128最为突出, 占总PKA数目的比重分别达到了16.44%和15.70%. 其次为Hg, 其在总PKA中占比为26.69%. 而对于Hg原子, Hg202和Hg200在Hg类PKA中最为突出. 最后为Cd, 类似地, Cd114和Cd112为Cd类PKA中占比最高的. 另外还有约0.01%的其他类型PKA, 如He4, I126, I124等. Te, Hg和Cd作为组成红外焦平面阵列的晶格原子, 其对应的PKA主要是通过弹性碰撞产生, 而对于He4, I126, I124等其他PKA, 则主要是通过非弹性碰撞产生.

      根据仿真过程中获得的PKA位置信息, 可以进一步获得不同模拟注量下的PKA分布信息. 图6中, 图6(a), (b), (c), (d)分别对应模拟注量为1010, 1011, 1012和1013 cm–2情况下, 总的PKA数目中占比在1%以上的PKA位置信息. 对比图6(c)和图6(d)可以看出, 当模拟注量为1013 cm–2时, 整个碲镉汞焦平面阵列都会被产生的PKA填充(从图6(c)中可以看出, 靠近棱的边缘侧依然有空白, 而图6(d)中并无此情况). 这进一步表明对于质子位移损伤辐照测试需要达到高注量的必要性.

      在Geant4仿真过程中, 可以获得能量为T的PKA的损伤能Edam(T), 如前所述, 通过(7)式可以获得对应的NIEL. 将总厚度为6 μm的碲镉汞材料沿纵向划分为100等份, 即每0.06 μm为一等份, 可进一步分析不同深度位置处的NIEL情况. 图7(a)—(d)分别为不同模拟注量下总的NIEL分布情况. 从图7可以看出, 模拟注量越大, NIEL分布越均匀. 这主要是因为相比于非弹性碰撞传递给PKA的能量所造成的损伤能通常在数百keV甚至MeV, 而弹性碰撞传递给PKA的能量所造成的损伤能则主要集中在数十或数百eV之间. 此时, 由于低模拟注量下总的PKA数量少, 在一个区间内, 弹性碰撞造成的Edam(T)积分值显著小于非弹性碰撞导致, 因此非弹性碰撞发生位置处的NIEL影响更加显著. 如在图7(a)中所标注出的①, ②, ③三个峰值位置中, 均包含弹性碰撞和非弹性碰撞所造成的损伤能导致的NIEL. 而其他位置则只包含弹性碰撞传递的能量造成的损伤能导致的NIEL. 图7(a)中, 在区间2.88—2.94 μm(②位置处)及区间5.10—5.16 μm (③位置处)之间, 非弹性碰撞造成的Edam(T)分别为477.67 keV和294.68 keV, 而弹性碰撞造成的Edam(T)积分值则分别只有9.29 keV和10.11 keV, 差异分别达到了54.1倍和29.1倍. 图8进一步描述了模拟注量为1013 cm–2下的NIEL组成情况, 可以看到在整个6 μm厚的碲镉汞焦平面阵列内, 弹性碰撞造成的NIEL是均匀分布的, 且其在每一个区间内均大于非弹性碰撞所造成的NIEL. 因此, 其总的NIEL亦在整个厚度区间内呈均匀分布.

      在获得Edam(T)和NIEL的基础之上, 亦可以通过计算每个原子平均离位次数(displacement per atom, DPA) 以及离位原子数(Nd)来评价其位移损伤程度以及原子离位情况. (8)式和(9)式分别用来计算Nd和DPA. 其中(8)式采用的是位移损伤研究中普遍采用的NRT模型, 该模型恰好可以给出能量为T的PKA所造成的离位原子数情况[25]:

      式中, Ed为靶原子离位阈能; Nd为离位原子数目; N为靶材料中总的原子数; n为入射粒子数.

      对于Hg0.56Cd0.44Te材料, 当前并未有统一的离位阈能Ed. Konobeyev等[26]对不同原子的离位阈能进行了多种形式的验证与讨论, 受到广泛的认可. 因此本文中Te, Cd和Hg的离位阈能Ed参考于此文献. 具体而言, Te, Cd和Hg的离位阈能Ed取值分别为18, 23和19 eV.

      图9中描述了模拟注量为1013cm–2情况下不同分段区间内的各原子离位数目及总的原子离位数目情况. 从图9可以看出, Te原子离位数目最多, Hg原子离位数目次之, Cd原子离位数目最少. 但同时需要注意的是在每个分段区间内, 平均到每个质子而言, Te, Hg, Cd三原子离位数目均处于10–3量级, 总的原子离位数目处于10–3—10–2量级. 图10进一步描述了Te, Hg, Cd三原子在整个碲镉汞焦平面中的离位数目及总的离位数目. 据此, 可以推断对整个碲镉汞红外焦平面阵列, 当空间质子入射注量累积达到1013 cm–2时, Hg0.56Cd0.44Te红外焦平面阵列探测器中Te, Hg, Cd以及总的原子离位数目分别为0.11, 0.32, 0.24和0.83705.

      在得到Nd的情况下, 通过(9)式可以计算每个原子的平均离位次数, 即DPA. 在20 μm×20 μm×6 μm的Hg0.56Cd0.44Te红外焦平面阵列探测器体系中共有原子数N为3.53×1013. 模拟质子注量为1013 cm–2下的入射粒子数n为4×107. 结合以上信息, 可以分别获得在每个分段内以及总的厚度范围内的DPA. 分别如图11和图12所示. 图11中, Te和Hg的DPA处于10–24量级, 而Cd的DPA则主要处于10–25量级. 而图12表明, 当空间质子入射注量累积达到1013 cm–2时, Hg0.56Cd0.44Te红外焦平面阵列探测器中, 平均到单个入射质子时, Te, Hg, Cd每个原子平局离位次数以及总的每个原子平均离位次数分别为0.75 × 10–22, 2.29 × 10–22, 1.71 × 10–22和5.92 × 10–22.

      通过Geant4仿真模拟了空间高能质子对碲镉汞红外焦平面阵列探测器的位移损伤效应, 并获得了PKA, Edam, NIEL, Nd, DPA等关键参数信息. 而这些与位移损伤相关的参数则进一步可能会对碲镉汞红外图像传感器的电学或者感光性能等造成影响. 可能的影响包括并不局限于以下方面. 第一, PKA产生的位置和所具有的能量会导致晶格中原子的移位以及重新排列, 这有可能引起缺陷的形成, 进而影响探测器的材料特性, 如带隙和载流子浓度. 当所产生的缺陷成为载流子复合中心时, 就会增加非理想行为, 进一步会影响均方根(RMS)噪声, 同时也会使得噪声等效温差升高. 第二, Edam和NIEL所表征的损伤程度可能使得碲镉汞材料的量子效率下降, 进而影响碲镉汞探测器的响应能力.

    4.   电离总剂量效应模拟仿真

    • 在所模拟的碲镉汞红外焦平面阵列中, 除了Hg0.56Cd0.44Te组成的红外探测器像素阵列外, 还需要通过MOS管对Hg0.56Cd0.44Te像素单元转化的电荷进行转移处理. 如图2所示, 像素单元主要涉及的MOS管有MRST1, MRST, MSF, MFS和MRS管. 如前所述, 当质子入射该红外焦平面阵列时, 既会在Hg0.56Cd0.44Te红外焦平面阵列探测器中诱发位移损伤效应, 亦会在MOS管中累积电离总剂量效应.

      在Geant4仿真中, 通过统计像素单元MOS管中氧化层内的沉积能量, 可进一步计算单位质量的能量沉积情况, 即电离总剂量情况. 表3为不同仿真注量下的像素单元MOS管累积电离总剂量情况.

      表3表明, 对于Hg0.56Cd0.44Te红外焦平面阵列图像传感器, 当其在空间运行任务周期中, 如果累积质子注量达到甚至超过1013 cm–2时, 则在关注红外焦平面阵列图像传感器位移损伤效应的同时, 亦需考虑像素单元MOS管的电离总剂量效应.

      图4中描述的是1 MeV以上近地轨道空间质子在太阳活动极大年时的通量情况. 如果按照此通量进行估计, 可以获得 1 MeV以上质子年通量约为3.11×1011 cm–2, 那么根据该年质子通量进行保守估计. 则可推断, 对采用文中55 nm制造工艺的传统5T像素Hg0.56Cd0.44Te红外焦平面阵列图像传感器而言, 在空间任务周期为小于38.5个月时, 可主要考虑红外焦平面位移损伤效应, 而当超过38.5个月时, 既要考虑红外焦平面位移损伤效应, 亦需要关注像素单元MOS管的电离总剂量效应.

    5.   结　论

    • 针对可应用于宇航任务的55 nm工艺超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器, 基于5T晶体管组成的像素单元, 从超大面阵设计通常采用的2 pixel×2 pixel像素阵列基本单元出发, 构建了Geant4仿真模型. 模拟了碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器在空间不同注量质子入射下的位移损伤效应及5T晶体管中的累积电离总剂量效应情况. 所模拟注量分别为1010, 1011, 1012和1013 cm–2, 获得了非电离能量损失、损伤能、离位原子数等信息. 并指出了在位移损伤评价时亦应考虑像素单元MOS管电离总剂量效应的阈值信息. 此外, 还结合仿真结果与实际空间质子通量情况, 对未来采用55 nm工艺, 阵列可达8K×8K甚至以上的超大面阵碲镉汞红外焦平面阵列图像传感器的空间位移损伤效应和电离总剂量效应进行了估计.

    参考文献 (26)

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