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

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

doi:10.7498/aps.73.20241246

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.

关键词:

Abstract

A large-format, high-resolution Hg_1–xCd_xTe 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 Hg_1–xCd_xTe 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 Hg_1–xCd_xTe 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 Hg_1–xCd_xTe 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 Hg_1–xCd_xTe IRFPA image sensors.

Keywords:

作者及机构信息

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

通信作者: 杨卫涛, yangweitao01@xidian.edu.cn ; 吴龙胜, lswu@xidian.edu.cn

基金项目: 陕西省自然科学基础研究计划(批准号: 2023-JC-QN-0015)和中央高校基本科研业务费(批准号: XJSJ23049)资助的课题.

Authors and contacts

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 author: Yang Wei-Tao, yangweitao01@xidian.edu.cn ; Wu Long-Sheng, lswu@xidian.edu.cn

Funds: Project supported by the Natural Science Basic Research Plan in the Shaanxi Province of China (Grant No. 2023-JC-QN-0015) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant No. XJSJ23049).

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参考文献

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施引文献

图 1 碲镉汞红外焦平面CMOS图像传感器结构示意图^[20]

Fig. 1. Schematic diagram of Hg_1–xCd_xTe 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]

Fig. 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

Fig. 3. Simulation schematic of proton striking Hg_1–xCd_xTe infrared focal plane.

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图 4 仿真中所用质子能谱^[23]

Fig. 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

Fig. 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

Fig. 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

Fig. 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

Fig. 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N_d在每个分段区间的分布信息

Fig. 9. Distribution of N_d 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N_d情况

Fig. 10. N_d in the entire Hg_1–xCd_xTe 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

Fig. 11. DPA in the Hg_1–xCd_xTe 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

Fig. 12. The entire DPA in Hg_1–xCd_xTe 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^–2	PKA种类数目
A	10¹⁰	27
B	10¹¹	36
C	10¹²	61
D	10¹³	159

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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%
Te	占比<1%	Te123, Te120, Te127, Te121, Te129, Te119, Te118	49.71%
Hg	占比>1%	Hg202(7.87%), Hg200(6.20%), Hg199(4.55%), Hg201(3.50%), Hg198(2.72%), Hg204(1.28%)	26.69%
Hg	占比<1%	Hg196, Hg197, Hg194, Hg192, Hg193, Hg191, Hg195, Hg190, Hg189	26.69%
Cd	占比>1%	Cd114(6.42%), Cd112(5.73%), Cd111(3.08%), Cd110(3.04%), Cd113(2.86%), Cd116(1.67%)	23.59%
Cd	占比<1%	Cd106, Cd108, Cd109, Cd104, Cd107, Cd105, Cd115, Cd124	23.59%
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
A	10¹⁰	0
B	10¹¹	0
C	10¹²	0
D	10¹³	5301.95

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