电荷耦合器件(CCD)是用于空间光电系统可见光成像的图像传感器, 在空间应用环境下受辐射效应作用导致 CCD性能退化甚至失效。对于 CCD空间辐射效应的地面模拟试验研究, 辐照试验中 CCD采用合适的偏置条件是分析其空间辐射损伤的必要措施。由于 CCD对质子辐照导致的电离总剂量效应和位移损伤效应均非常敏感, 因此针对 CCD空间应用面临的电离总剂量效应和位移损伤效应威胁, 开展不同辐照偏置下 CCD的辐射效应及损伤机理研究。针对一款国产埋沟 CCD器件, 开展不同偏置条件下的 γ射线和质子辐照试验, 获得了 CCD的暗电流、光谱响应等辐射敏感参数的电离总剂量效应, 位移损伤效应退化规律以及辐照偏置对 CCD辐射效应的影响机制。研究表明, γ射线辐照下 CCD的偏置产生重要影响, 质子辐照下没有明显的偏置效应。根据 CCD结构和辐照后的退火试验结果, 对 CCD的辐射效应损伤机理进行分析。

针对红外探测器在空间应用中受到高能粒子辐照后暗电流退化的问题，开展γ射线对中波碲镉汞(HgCdTe)光伏器件暗电流影响的研究。在室温和77 K温度下，利用60Co-γ射线对HgCdTe器件进行辐照试验，辐照试验结束后对低温辐照器件进行77 K低温退火和室温退火。通过比较γ辐照前后和退火后器件的I-V特性、R-V特性和零偏动态电阻R0参数，分析了γ辐照对HgCdTe器件暗电流的影响机制。试验结果表明：在总剂量为7 Mrad(Si)照条件下，器件暗电流未出现明显的退化；在77 K温度辐照条件下，器件暗电流随着总剂量的增加而增加，且暗电流退化幅度与辐照过程中的偏置有关。研究表明暗电流的退化源于γ辐照在器件中造成电离损伤，导致器件HgCdTe化层中的界面态和空穴陷阱电荷密度增加。

应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能, 本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先, 使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照, 分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质; 其次, 再对辐照后的器件进行退火试验, 分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照, 3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍, 但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子; 辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中, 热像素数量都不断减少, 而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子, 退火更为显著。结果表明, 质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的, 不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同, 导致热像素具有不同特性。

对不同偏置状态下的国产科学级0.18 μm工艺掩埋型4T-CMOS有源像素图像传感器进行钴-60γ射线辐照和退火实验, 研究总剂量效应对图像传感器的性能影响, 并观察是否存在总剂量偏置效应。着重分析暗电流、满阱容量等参数随累积剂量的变化规律。实验结果表明随着辐照总剂量累加, 暗电流前期缓慢增长, 之后退化明显加剧, 这主要是由于辐照致界面态和氧化物陷阱电荷密度增加。4T-CMOS图像传感器的暗电流主要由来源于STI界面, 而辐照导致耗尽区展宽与STI接触使得暗电流增长加剧, 同时, 辐照导致的耗尽区展宽也引起满阱容量的下降。并且在4T-CMOS图像传感器的实验中没有发现明显的总剂量偏置效应。

对两款商用铁电存储器进行了钴源辐射试验，研究了不同偏置条件下铁电存储器的总剂量效应。使用了超大规模集成电路测试系统测试了铁电存储器的直流、交流、功能参数，分析了辐射敏感参数在辐射过程中的变化规律 ,研究了器件功能失效和参数退化的原因。研究表明 ,将铁电存储器置于不同的偏置条件下，铁电存储器的功能失效阈值不同，原因可能是偏置不同造成了辐射损伤的短板电路模块不同。

光谱响应是表征CCD性能的重要参数。为了研究辐射环境对CCD光谱响应产生影响的规律及物理机制, 开展了不同粒子辐照实验, 对CCD光谱响应曲线的退化形式及典型波长下CCD光响应的退化情况进行了分析。辐射效应对CCD光谱响应的影响可以分为电离总剂量效应和位移效应导致的退化, 本文从这两种辐射效应出发, 采用 60Co-γ射线及质子两种辐照条件, 研究了CCD光谱响应的退化规律。针对460 nm(蓝光)和700 nm(红光)等典型CCD光响应波长, 从辐射效应导致的损伤缺陷方面分析了CCD光谱响应退化的物理机制。研究发现, 在 60Co-γ射线辐照时CCD光谱响应曲线变化是由于暗信号增加导致的, 而质子辐照导致CCD对700 nm波长的光响应退化明显大于460 nm波长的光响应, 且10 MeV质子导致的损伤比3 MeV质子更明显, 表明位移损伤缺陷易导致CCD光谱响应退化。结果表明, 电离总剂量效应主要导致CCD光谱响应整体变化, 而位移效应则导致不同波长光的响应差异增大。

针对EMVA 1288标准测试辐照后互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的重要性能参数(光子转移曲线和转换增益)适用范围受限的问题, 提出了针对辐照后CMOS图像传感器光子转移曲线和转换增益的改进的测试方法。该方法通过调整测试条件, 限制辐照后CMOS图像传感器的暗电流和暗电流非均匀性噪声, 求解出辐照后正确的器件性能参数, 从而直观地得知辐照所引起的器件性能变化。利用该方法进行了实验测试, 结果显示: 辐照导致转换增益比辐照前退化了7.82%。依据此结果分析了辐照导致光子转移曲线和转换增益退化的机理, 认为转换增益的退化是由于质子辐射引起的电离效应和位移效应导致暗电流、暗电流非均匀性增大所致。本文为掌握CMOS图像传感器的空间辐射效应提供了理论基础。

基于标准工艺线的设计加固是大规模集成电路抗辐射加固的发展趋势, 对微纳米单元器件进行辐射效应参数提取是实现设计加固的前提。为了摒除参数提取过程中封装引入的影响, 实现在线参数测试, 本文设计了一套晶圆级器件辐照与辐射效应参数提取试验装置, 兼备晶圆级器件电离总剂量辐照、器件参数在线测试分析功能, 并且具有通用性强、测量范围宽、结构一体化、操作自动化等特点。对设备在50 kV管压下产生的X射线能谱、剂量率、束斑的测量以及对晶圆级MOS器件进行I-V、C-V、低频噪声特性的测试分析结果表明, 该设备符合ASTM F1467测试标准, 且能满足晶圆级器件辐射效应参数提取要求, 可为大规模集成电路抗辐射设计加固提供良好的试验条件。