本發(fā)明涉及光電成像器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法。

背景技術(shù)：

光電成像器件有體積小、質(zhì)量輕、功耗低、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于空間探測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、核反應(yīng)堆檢測(cè)等領(lǐng)域。然而，當(dāng)光電成像器件應(yīng)用于上述領(lǐng)域時(shí)將會(huì)受到粒子或射線的輻照損傷，導(dǎo)致器件成像質(zhì)量退化甚至功能失效。因此開展光電成像器件輻照損傷效應(yīng)研究具有重要的意義。

光電成像器件的輻射損傷效應(yīng)主要包括電離總劑量效應(yīng)和位移效應(yīng)。電離總劑量效應(yīng)是指當(dāng)輻射粒子或射線穿過光電成像器件柵氧化層(對(duì)于cmos圖像傳感器還包括淺溝道隔離層或隔離場(chǎng)氧化物層)時(shí)發(fā)生電離相互作用，產(chǎn)生電子空穴對(duì)，進(jìn)而形成氧化物陷阱電荷和界面態(tài)，對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致其功能失效；位移效應(yīng)是指當(dāng)輻射粒子或射線穿過光電成像器件耗盡區(qū)時(shí)發(fā)生位移相互作用，使原子離開初始位置，原來(lái)的位置產(chǎn)生空位并在晶格的其它位置產(chǎn)生間隙原子，形成空位間隙對(duì)，進(jìn)而產(chǎn)生體缺陷，對(duì)器件的性能產(chǎn)生影響，甚至導(dǎo)致其功能失效。

目前國(guó)內(nèi)外主要通過開展地面模擬實(shí)驗(yàn)的方法研究光電成像器件的輻射損傷效應(yīng)研究，目前取得了一定的成果。但是地面模擬實(shí)驗(yàn)存在實(shí)驗(yàn)費(fèi)用比較昂貴、實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)無(wú)法保證、模擬輻射環(huán)境單一、難以再現(xiàn)器件所處的復(fù)雜輻射環(huán)境等問題。

光電成像器件輻射損傷研究工作急需建立一種通過蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法，定量分析光電成像器件輻射損傷程度、縮短器件輻照考核時(shí)間、降低輻照實(shí)驗(yàn)成本、解決復(fù)雜輻射環(huán)境器件輻射損傷評(píng)估問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種通過蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法，實(shí)現(xiàn)了定量分析光電成像器件輻射損傷程度，同時(shí)縮短器件輻照考核時(shí)間、降低輻照實(shí)驗(yàn)成本、解決復(fù)雜輻射環(huán)境器件輻射損傷評(píng)估問題。

本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供了一種利用蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法，包括以下步驟：

1)根據(jù)光電成像器件三維幾何結(jié)構(gòu)、區(qū)域材料和摻雜濃度，構(gòu)建模擬模型；所述模擬模型是指光電成像器件的單個(gè)像元的模型；

2)對(duì)光電成像器件所處的輻射環(huán)境進(jìn)行分析，確定輻射粒子或射線的種類及能量范圍；

3)對(duì)輻射粒子或射線與光電成像器件的材料相互作用的物理機(jī)制進(jìn)行分析，添加合適的物理過程，確定光電成像器件的輻射損傷敏感區(qū)域；

4)利用蒙特卡羅軟件geant4開展輻射粒子或射線在光電成像器件中的輸運(yùn)過程的計(jì)算，提取其在光電成像器件輻射損傷敏感區(qū)域的能量沉積；

5)結(jié)合地面模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析光電成像器件輻射損傷機(jī)制并對(duì)輻射損傷程度進(jìn)行評(píng)估。

具體來(lái)說，所述光電成像器件主要包括ccd或cmos圖像傳感器。

具體來(lái)說，輻射環(huán)境中的粒子或射線的種類包括質(zhì)子、電子、重離子、中子、γ射線和x射線；粒子或射線的能量范圍根據(jù)器件所處的具體輻射環(huán)境進(jìn)行分析。例如：在低軌道空間輻射環(huán)境中，質(zhì)子的能量范圍為0.1～400mev；電子能量范圍為0.1～10mev。

具體來(lái)說，質(zhì)子、電子和重離子的物質(zhì)過程包括電離相互作用過程、庫(kù)侖散射、彈性核碰撞和非彈性核碰撞；中子的物理過程包括彈性核碰撞、非彈性核碰撞、俘獲和裂變；γ射線和x射線的物理過程包括光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)。

具體來(lái)說，光電成像器件的輻射損傷包括電離損傷和位移損傷；電離損傷通過計(jì)算輻射粒子或射線在其對(duì)應(yīng)的輻射損傷敏感區(qū)域內(nèi)的電離能量沉積獲得；位移損傷通過計(jì)算輻射粒子或射線在其對(duì)應(yīng)的輻射損傷敏感區(qū)域內(nèi)的非電離能量沉積獲得。

具體來(lái)說，所述輻射損傷敏感區(qū)域包括電離損傷敏感區(qū)域和位移損傷敏感區(qū)域；電離損傷的敏感區(qū)域?yàn)闁叛趸瘜踊驕\溝道隔離層或隔離場(chǎng)氧化物層；位移損傷的敏感區(qū)域?yàn)楣怆姵上衿骷谋M區(qū)；

所述柵氧化層、淺溝道隔離層、隔離場(chǎng)氧化物層均通過從光電成像器件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)直接獲取；所述光電成像器件耗盡區(qū)通過計(jì)算耗盡區(qū)的深度、p型區(qū)域的寬度和n型區(qū)域的寬度獲取。

具體來(lái)說，光電成像器件耗盡區(qū)的深度w的計(jì)算是：

式中：e為電子電荷；ε為介電常數(shù)；vbi為內(nèi)建電勢(shì)差；vr為外加反偏電壓；na為p型區(qū)域的摻雜濃度；np為n型區(qū)域的摻雜濃度；

耗盡區(qū)在n型區(qū)域的寬度xn為：

耗盡區(qū)在p型區(qū)域的寬度xp為：

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明提出了利用蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法不僅適用于單一輻射粒子或射線環(huán)境，而且適用于各種輻射粒子或射線均存在的復(fù)雜輻射環(huán)境；不僅可以對(duì)復(fù)雜環(huán)境下光電成像器件的輻射損傷進(jìn)行評(píng)估，還能夠在器件設(shè)計(jì)階段就對(duì)其輻射效應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證。

2、本發(fā)明采用了geant4進(jìn)行模擬，相比與二維模擬和其他仿真軟件，可以更準(zhǔn)確地構(gòu)建器件結(jié)構(gòu)模型，更加精確的添加復(fù)雜環(huán)境中的各種輻射粒子或射線及其與材料的相互作用物理過程，從而更符合器件輻射損傷的真實(shí)結(jié)果。

3、本發(fā)明提出的利用蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法，解決了地面模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)緊張、實(shí)驗(yàn)成本高的問題，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)與時(shí)間。

4、本發(fā)明提出了通過理論計(jì)算方法獲得敏感區(qū)域尺寸的方法，能夠更精準(zhǔn)的模擬各種輻射環(huán)境下輻射粒子或射線對(duì)光電成像器件的輻射損傷。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提出的利用蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明中研究的ccd像素單元的三維幾何結(jié)構(gòu)、區(qū)域材料和摻雜濃度示意圖；

圖3為本發(fā)明中利用蒙特卡羅軟件geant4模擬計(jì)算質(zhì)子在ccd像素單元中輸運(yùn)過程示意圖；

圖4為本發(fā)明中利用蒙特卡羅軟件geant4模擬計(jì)算質(zhì)子注量為3×10¹⁰p/cm²，能量為0.1～400mev時(shí)，其在柵氧化層的電離損傷劑量；

圖5為本發(fā)明中利用蒙特卡羅軟件geant4模擬計(jì)算質(zhì)子注量為3×10¹⁰p/cm²，能量為0.1～400mev時(shí)，其在耗盡區(qū)的位移損傷劑量；

圖6為本發(fā)明中不同能量質(zhì)子輻照誘發(fā)ccd電荷轉(zhuǎn)移效率(cte)的退化規(guī)律；

圖7為本發(fā)明中電荷損失率(δcte)隨質(zhì)子在ccd耗盡區(qū)的位移損傷劑量的變化關(guān)系。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述：由于質(zhì)子輻照損傷即包含電離損傷過程，又包含位移損傷過程，質(zhì)子輻照比單純的γ射線、x射線或中子輻照損傷更為復(fù)雜。因此，本實(shí)施例提供ccd在質(zhì)子輻照環(huán)境下利用蒙特卡羅模擬評(píng)估器件輻射損傷的過程。圖1是本發(fā)明提出的利用蒙特卡羅模擬評(píng)估光電成像器件輻射損傷的方法的流程示意圖。

步驟1)根據(jù)光電成像器件三維幾何結(jié)構(gòu)、區(qū)域材料和摻雜濃度，構(gòu)建模擬模型；具體做法如下：

以某ccd為研究對(duì)象開展質(zhì)子輻照損傷的蒙特卡羅模擬計(jì)算。該ccd像素單元的三維幾何結(jié)構(gòu)、區(qū)域材料和摻雜濃度如圖2所示。多晶硅的材料為si,厚度為300nm；介質(zhì)層的材料為si3n4,厚度為70nm；柵氧化層的材料為sio2,厚度為90nm；n埋層的材料為si,厚度為0.5μm,摻雜濃度為2.6×10¹⁶cm^-3；p型外延層的材料為si，厚度為10μm,摻雜濃度為5.0×10¹⁹cm^-3。

步驟2)對(duì)光電成像器件所處的輻射環(huán)境進(jìn)行分析，確定輻射粒子或射線的種類及能量范圍；當(dāng)ccd應(yīng)用于空間環(huán)境時(shí)將會(huì)受到空間輻射損傷。低軌道空間輻射環(huán)境中質(zhì)子對(duì)ccd損傷最為嚴(yán)重，且質(zhì)子能量主要集中在0.1～400mev。本實(shí)施例中以質(zhì)子為研究對(duì)象，質(zhì)子能量范圍為0.1～400mev。

步驟3)對(duì)輻射粒子或射線與光電成像器件的材料相互作用的物理機(jī)制進(jìn)行分析，添加合適的物理過程，確定光電成像器件的輻射損傷敏感區(qū)域；質(zhì)子穿過ccd時(shí)，既會(huì)產(chǎn)生電離損傷，又會(huì)產(chǎn)生位移損傷。電離損傷的敏感區(qū)域主要為柵氧化層(90nm),如圖2中(a)部分所示；位移損傷的敏感區(qū)域?yàn)楣怆姵上衿骷谋M區(qū)(又稱空間電荷區(qū)),如圖2中(b)部分所示。像元尺寸為12×12μm²，耗盡區(qū)的表面積約為115.2μm²。

由于p型外延層的摻雜濃度為na＝5×10¹⁴cm^-3；n埋溝層的摻雜濃度為np＝2.6×10¹⁶cm^-3，溫度t＝300k時(shí)，內(nèi)建電勢(shì)產(chǎn)為0.624v。正常工作時(shí)，轉(zhuǎn)移柵的供電電壓為6v，則耗盡區(qū)的寬度w為：

耗盡區(qū)在n埋溝層(實(shí)際上耗盡區(qū)的n型區(qū)域)的寬度xn為：

耗盡區(qū)在p型外延層(實(shí)際上耗盡區(qū)的p型區(qū)域)的寬度xp為：

質(zhì)子與ccd靈敏體積相互作用過程主要包括：電離相互作用過程、庫(kù)侖散射、彈性核碰撞和非彈性核碰撞，因此物理過程中添加以上4種作用過程。

步驟4)采用geant4軟件開展蒙特卡羅方法計(jì)算輻射粒子或射線在光電成像器件中的輸運(yùn)過程(其中，geant4是一種基于蒙特卡羅方法的模擬計(jì)算程序，在文獻(xiàn)《s.agostinellietal.，geant4-asimulationtoolkit，nuclearinstrumentsandmethodsa506(2003)250-303》中對(duì)geant4的功能有詳細(xì)的說明)，如圖3所示，其中不同塊代表光電成像器件的不同區(qū)域結(jié)構(gòu)，細(xì)線代表質(zhì)子徑跡。質(zhì)子注量為3×10¹⁰p/cm²時(shí)，其在柵氧化層的電離損失劑量如圖4所示，在耗盡區(qū)的位移損傷劑量如圖5所示。從圖4可以看出，隨著質(zhì)子能量的增加，其在ccd像元柵氧化層內(nèi)的電離損失劑量逐漸下降。從圖5可以看出，隨著質(zhì)子能量的增加，其在ccd像元耗盡區(qū)內(nèi)的位移損傷劑量先上升，后下降，在質(zhì)子能量約為0.4mev時(shí)，位移損傷劑量達(dá)到最大值。

步驟5)結(jié)合地面模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析光電成像器件輻射損傷機(jī)制并對(duì)輻射損傷程度進(jìn)行評(píng)估。具體做法如下：

在靜電串列加速器上開展了注量為3×10¹⁰p/cm²，能量分別為2mev、5mev和10mev的ccd質(zhì)子輻照實(shí)驗(yàn)，獲得了不同能量質(zhì)子輻照誘發(fā)ccd電荷轉(zhuǎn)移效率(cte)的退化規(guī)律，如圖6所示。從圖6中可以看出，能量為2mev的質(zhì)子對(duì)ccd的輻照損傷程度最大，能量為10mev質(zhì)子對(duì)ccd的輻照損傷程度最小。電荷損失率(δcte)隨質(zhì)子在ccd耗盡區(qū)的位移損傷劑量的變化關(guān)系如圖7所示。從圖7中可以看出電荷損失率(δcte)與粒子在ccd耗盡區(qū)的位移損傷劑量成正比。相關(guān)研究表明，電荷損失率δcte可表示為：

δcte＝c×niel(e)×φ(e)

式中：c為損傷因子；φ(e)為能量為e的質(zhì)子的輻照注量?？梢钥闯?，在注量相同時(shí)，δcte與位移損傷劑量成正比。因此模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果與該理論一致。因此當(dāng)ccd處于復(fù)雜的質(zhì)子輻照環(huán)境時(shí)(質(zhì)子能量處于1～10mev)，可以根據(jù)質(zhì)子能譜分布、角度分布及注量等信息，模擬計(jì)算質(zhì)子在ccd靈敏體積內(nèi)的能量沉積，進(jìn)而評(píng)估器件的輻射損傷程度。