CN107229775A - 利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法 - Google Patents

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刘静
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Abstract

本发明公开了一种利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，该方法的步骤是：1、根据光电成像器件几何结构、区域材料和掺杂浓度，构建三维模拟模型；2、确定辐射粒子或射线的种类及能量范围；3、确定光电成像器件的辐射损伤敏感区域；4、利用蒙特卡罗方法模拟计算辐射粒子或射线在光电成像器件中的输运过程，提取其在器件灵敏体积的能量沉积；5、结合地面模拟实验结果，研究光电成像器件的辐射损伤机理并对复杂辐射下的损伤程度进行评估。该方法具有理论定量分析光电成像器件辐射损伤程度的功能，并且具有缩短器件辐照考核时间、降低辐照实验成本、解决复杂环境辐射损伤评估等优势。

Description

利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法
技术领域
本发明涉及光电成像器件技术领域，具体涉及一种利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法。
背景技术
光电成像器件有体积小、质量轻、功耗低、集成度高等优点，被广泛应用于空间探测、医学成像、核反应堆检测等领域。然而，当光电成像器件应用于上述领域时将会受到粒子或射线的辐照损伤，导致器件成像质量退化甚至功能失效。因此开展光电成像器件辐照损伤效应研究具有重要的意义。
光电成像器件的辐射损伤效应主要包括电离总剂量效应和位移效应。电离总剂量效应是指当辐射粒子或射线穿过光电成像器件栅氧化层(对于CMOS图像传感器还包括浅沟道隔离层或隔离场氧化物层)时发生电离相互作用，产生电子空穴对，进而形成氧化物陷阱电荷和界面态，对器件的性能产生影响，甚至导致其功能失效；位移效应是指当辐射粒子或射线穿过光电成像器件耗尽区时发生位移相互作用，使原子离开初始位置，原来的位置产生空位并在晶格的其它位置产生间隙原子，形成空位间隙对，进而产生体缺陷，对器件的性能产生影响，甚至导致其功能失效。
目前国内外主要通过开展地面模拟实验的方法研究光电成像器件的辐射损伤效应研究，目前取得了一定的成果。但是地面模拟实验存在实验费用比较昂贵、实验机时无法保证、模拟辐射环境单一、难以再现器件所处的复杂辐射环境等问题。
光电成像器件辐射损伤研究工作急需建立一种通过蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，定量分析光电成像器件辐射损伤程度、缩短器件辐照考核时间、降低辐照实验成本、解决复杂辐射环境器件辐射损伤评估问题。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种通过蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，实现了定量分析光电成像器件辐射损伤程度，同时缩短器件辐照考核时间、降低辐照实验成本、解决复杂辐射环境器件辐射损伤评估问题。
本发明的具体技术方案如下：
本发明提供了一种利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，包括以下步骤：
1)根据光电成像器件三维几何结构、区域材料和掺杂浓度，构建模拟模型；所述模拟模型是指光电成像器件的单个像元的模型；
2)对光电成像器件所处的辐射环境进行分析，确定辐射粒子或射线的种类及能量范围；
3)对辐射粒子或射线与光电成像器件的材料相互作用的物理机制进行分析，添加合适的物理过程，确定光电成像器件的辐射损伤敏感区域；
4)利用蒙特卡罗软件Geant4开展辐射粒子或射线在光电成像器件中的输运过程的计算，提取其在光电成像器件辐射损伤敏感区域的能量沉积；
5)结合地面模拟实验结果，分析光电成像器件辐射损伤机制并对辐射损伤程度进行评估。
具体来说，所述光电成像器件主要包括CCD或CMOS图像传感器。
具体来说，辐射环境中的粒子或射线的种类包括质子、电子、重离子、中子、γ射线和X射线；粒子或射线的能量范围根据器件所处的具体辐射环境进行分析。例如：在低轨道空间辐射环境中，质子的能量范围为0.1～400MeV；电子能量范围为0.1～10MeV。
具体来说，质子、电子和重离子的物质过程包括电离相互作用过程、库仑散射、弹性核碰撞和非弹性核碰撞；中子的物理过程包括弹性核碰撞、非弹性核碰撞、俘获和裂变；γ射线和X射线的物理过程包括光电效应、康普顿散射和电子对效应。
具体来说，光电成像器件的辐射损伤包括电离损伤和位移损伤；电离损伤通过计算辐射粒子或射线在其对应的辐射损伤敏感区域内的电离能量沉积获得；位移损伤通过计算辐射粒子或射线在其对应的辐射损伤敏感区域内的非电离能量沉积获得。
具体来说，所述辐射损伤敏感区域包括电离损伤敏感区域和位移损伤敏感区域；电离损伤的敏感区域为栅氧化层或浅沟道隔离层或隔离场氧化物层；位移损伤的敏感区域为光电成像器件耗尽区；
所述栅氧化层、浅沟道隔离层、隔离场氧化物层均通过从光电成像器件几何结构参数直接获取；所述光电成像器件耗尽区通过计算耗尽区的深度、P型区域的宽度和N型区域的宽度获取。
具体来说，光电成像器件耗尽区的深度W的计算是：
式中：e为电子电荷；ε为介电常数；Vbi为内建电势差；VR为外加反偏电压；Na为P型区域的掺杂浓度；Np为N型区域的掺杂浓度；
耗尽区在N型区域的宽度xn为：
耗尽区在P型区域的宽度xp为：
本发明的优点在于：
1、本发明提出了利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法不仅适用于单一辐射粒子或射线环境，而且适用于各种辐射粒子或射线均存在的复杂辐射环境；不仅可以对复杂环境下光电成像器件的辐射损伤进行评估，还能够在器件设计阶段就对其辐射效应进行验证。
2、本发明采用了Geant4进行模拟，相比与二维模拟和其他仿真软件，可以更准确地构建器件结构模型，更加精确的添加复杂环境中的各种辐射粒子或射线及其与材料的相互作用物理过程，从而更符合器件辐射损伤的真实结果。
3、本发明提出的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，解决了地面模拟实验机时紧张、实验成本高的问题，节省了实验经费与时间。
4、本发明提出了通过理论计算方法获得敏感区域尺寸的方法，能够更精准的模拟各种辐射环境下辐射粒子或射线对光电成像器件的辐射损伤。
附图说明
图1为本发明提出的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法的流程示意图；
图2为本发明中研究的CCD像素单元的三维几何结构、区域材料和掺杂浓度示意图；
图3为本发明中利用蒙特卡罗软件Geant4模拟计算质子在CCD像素单元中输运过程示意图；
图4为本发明中利用蒙特卡罗软件Geant4模拟计算质子注量为3×1010p/cm2，能量为0.1～400MeV时，其在栅氧化层的电离损伤剂量；
图5为本发明中利用蒙特卡罗软件Geant4模拟计算质子注量为3×1010p/cm2，能量为0.1～400MeV时，其在耗尽区的位移损伤剂量；
图6为本发明中不同能量质子辐照诱发CCD电荷转移效率(CTE)的退化规律；
图7为本发明中电荷损失率(ΔCTE)随质子在CCD耗尽区的位移损伤剂量的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述：由于质子辐照损伤即包含电离损伤过程，又包含位移损伤过程，质子辐照比单纯的γ射线、X射线或中子辐照损伤更为复杂。因此，本实施例提供CCD在质子辐照环境下利用蒙特卡罗模拟评估器件辐射损伤的过程。图1是本发明提出的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法的流程示意图。
步骤1)根据光电成像器件三维几何结构、区域材料和掺杂浓度，构建模拟模型；具体做法如下：
以某CCD为研究对象开展质子辐照损伤的蒙特卡罗模拟计算。该CCD像素单元的三维几何结构、区域材料和掺杂浓度如图2所示。多晶硅的材料为Si,厚度为300nm；介质层的材料为Si3N4,厚度为70nm；栅氧化层的材料为SiO2,厚度为90nm；N埋层的材料为Si,厚度为0.5μm,掺杂浓度为2.6×1016cm-3；P型外延层的材料为Si，厚度为10μm,掺杂浓度为5.0×1019cm-3。
步骤2)对光电成像器件所处的辐射环境进行分析，确定辐射粒子或射线的种类及能量范围；当CCD应用于空间环境时将会受到空间辐射损伤。低轨道空间辐射环境中质子对CCD损伤最为严重，且质子能量主要集中在0.1～400MeV。本实施例中以质子为研究对象，质子能量范围为0.1～400MeV。
步骤3)对辐射粒子或射线与光电成像器件的材料相互作用的物理机制进行分析，添加合适的物理过程，确定光电成像器件的辐射损伤敏感区域；质子穿过CCD时，既会产生电离损伤，又会产生位移损伤。电离损伤的敏感区域主要为栅氧化层(90nm),如图2中(a)部分所示；位移损伤的敏感区域为光电成像器件耗尽区(又称空间电荷区),如图2中(b)部分所示。像元尺寸为12×12μm2，耗尽区的表面积约为115.2μm2。
由于P型外延层的掺杂浓度为Na＝5×1014cm-3；N埋沟层的掺杂浓度为Np＝2.6×1016cm-3，温度T＝300K时，内建电势产为0.624V。正常工作时，转移栅的供电电压为6V，则耗尽区的宽度W为：
耗尽区在N埋沟层(实际上耗尽区的N型区域)的宽度xn为：
耗尽区在P型外延层(实际上耗尽区的P型区域)的宽度xp为：
质子与CCD灵敏体积相互作用过程主要包括：电离相互作用过程、库仑散射、弹性核碰撞和非弹性核碰撞，因此物理过程中添加以上4种作用过程。
步骤4)采用Geant4软件开展蒙特卡罗方法计算辐射粒子或射线在光电成像器件中的输运过程(其中，Geant4是一种基于蒙特卡罗方法的模拟计算程序，在文献《S.Agostinelli et al.，GEANT4-A Simulation Toolkit，Nuclear Instruments andMethods A 506(2003)250-303》中对Geant4的功能有详细的说明)，如图3所示，其中不同块代表光电成像器件的不同区域结构，细线代表质子径迹。质子注量为3×1010p/cm2时，其在栅氧化层的电离损失剂量如图4所示，在耗尽区的位移损伤剂量如图5所示。从图4可以看出，随着质子能量的增加，其在CCD像元栅氧化层内的电离损失剂量逐渐下降。从图5可以看出，随着质子能量的增加，其在CCD像元耗尽区内的位移损伤剂量先上升，后下降，在质子能量约为0.4MeV时，位移损伤剂量达到最大值。
步骤5)结合地面模拟实验结果，分析光电成像器件辐射损伤机制并对辐射损伤程度进行评估。具体做法如下：
在静电串列加速器上开展了注量为3×1010p/cm2，能量分别为2MeV、5MeV和10MeV的CCD质子辐照实验，获得了不同能量质子辐照诱发CCD电荷转移效率(CTE)的退化规律，如图6所示。从图6中可以看出，能量为2MeV的质子对CCD的辐照损伤程度最大，能量为10MeV质子对CCD的辐照损伤程度最小。电荷损失率(ΔCTE)随质子在CCD耗尽区的位移损伤剂量的变化关系如图7所示。从图7中可以看出电荷损失率(ΔCTE)与粒子在CCD耗尽区的位移损伤剂量成正比。相关研究表明，电荷损失率ΔCTE可表示为：
ΔCTE＝C×NIEL(E)×Φ(E)
式中：C为损伤因子；Φ(E)为能量为E的质子的辐照注量。可以看出，在注量相同时，ΔCTE与位移损伤剂量成正比。因此模拟计算结果和实验结果与该理论一致。因此当CCD处于复杂的质子辐照环境时(质子能量处于1～10MeV)，可以根据质子能谱分布、角度分布及注量等信息，模拟计算质子在CCD灵敏体积内的能量沉积，进而评估器件的辐射损伤程度。

Claims (7)

1.一种利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据光电成像器件三维几何结构、区域材料和掺杂浓度，构建模拟模型；所述模拟模型是指光电成像器件的单个像元的模型；
2)对光电成像器件所处的辐射环境进行分析，确定辐射粒子或射线的种类及能量范围；
3)对辐射粒子或射线与光电成像器件的材料相互作用的物理机制进行分析，添加合适的物理过程，确定光电成像器件的辐射损伤敏感区域；
4)利用蒙特卡罗软件Geant4开展辐射粒子或射线在光电成像器件中的输运过程的计算，提取其在光电成像器件辐射损伤敏感区域的能量沉积；
5)结合地面模拟实验结果，分析光电成像器件辐射损伤机制并对辐射损伤程度进行评估。
2.根据权利要求1所述的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于：所述光电成像器件为CCD或CMOS图像传感器。
3.根据权利要求1所述的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于：辐射环境中的粒子或射线的种类包括质子、电子、重离子、中子、γ射线和X射线；粒子或射线的能量范围根据光电成像器件所处的具体辐射环境进行分析获得；在低轨道空间辐射环境中，质子的能量范围为0.1～400MeV；电子能量范围为0.1～10MeV。
4.根据权利要求1所述的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于：质子、电子和重离子的物质过程包括电离相互作用过程、库仑散射、弹性核碰撞和非弹性核碰撞；中子的物理过程包括弹性核碰撞、非弹性核碰撞、俘获和裂变；γ射线和X射线的物理过程包括光电效应、康普顿散射和电子对效应。
5.根据权利要求1所述的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于：光电成像器件的辐射损伤包括电离损伤和位移损伤；电离损伤通过计算辐射粒子或射线在其对应的辐射损伤敏感区域内的电离能量沉积获得；位移损伤通过计算辐射粒子或射线在其对应的辐射损伤敏感区域内的非电离能量沉积获得。
6.根据权利要求1所述的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于：所述辐射损伤敏感区域包括电离损伤敏感区域和位移损伤敏感区域；电离损伤的敏感区域为栅氧化层或浅沟道隔离层或隔离场氧化物层；位移损伤的敏感区域为耗尽区；
所述栅氧化层、浅沟道隔离层、隔离场氧化物层均通过从光电成像器件几何结构参数直接获取；
所述耗尽区通过计算耗尽区的深度、耗尽区在P型区域的宽度和耗尽区在N型区域的宽度获取。
7.根据权利要求6所述的利用蒙特卡罗模拟评估光电成像器件辐射损伤的方法，其特征在于：光电成像器件耗尽区深度W的计算是：
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式中：e为电子电荷；ε为介电常数；Vbi为内建电势差；VR为外加反偏电压；Na为P型区域的掺杂浓度；Np为N型区域的掺杂浓度；
耗尽区在N型区域的宽度xn为：
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耗尽区在P型区域的宽度xp为：
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