TDI CMOS图像传感器暗电流的多温度退火研究：异常现象与预测建模

《IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering》：Multiple-Temperature Annealing of Dark Current in TDI CMOS Image Sensors: Anomalous Phenomena and Predictive Modeling

　　摘要：时间延迟积分CMOS图像传感器（TDI CIS）在空间应用中易受总电离剂量（TID）效应的影响。研究TID辐照后的高温退火行为对于阐明电离缺陷的长期演化及优化加速测试方案至关重要。本研究开展了系统性的多温度退火实验，揭示了两种异常的暗电流行为。首先，在相对较低的温度区间（25°C–150°C），暗电流呈现非单调演化特征，表现为先增加（逆退火效应，RA）后降低，且温度越高，初始增加幅度越显著。其次，在高温区间（200°C–230°C），暗电流呈现单调衰减趋势，且温度越高衰减率反而降低，这与传统预期相反。为解释上述现象，本研究基于界面陷阱的生成与钝化过程构建了一个解析动力学模型。该模型保留了Arrhenius温度依赖关系，并引入拉伸指数动力学以描述缺陷反应的分布式特性。该模型在25°C–230°C范围内定量再现了实验结果，并为所观测到的异常行为提供了统一解释。此外，该模型对260°C下退火响应的预测得到了实验验证，其普适性也通过独立的CCD-on-CMOS器件的退火行为获得了进一步支持。这些发现为TDI CIS及相关图像传感器的辐照后退火分析和辐射测试方案设计提供了理论依据和实践框架。I. 引言时间延迟积分CMOS图像传感器（TDI CIS）越来越多地应用于卫星对地观测（EO）、行星探测及其他遥感领域，其先进的CCD-on-CMOS架构赋予传感器高灵敏度、宽动态范围和低功耗等优势[1]、[2]、[3]。由于这些传感器在严酷的辐射环境中工作，总电离剂量（TID）效应引起的暗电流退化已广泛被认为是其最关键的可靠性问题之一[4]、[5]、[6]。电离辐射会导致SiO?体材料中形成氧化物陷阱电荷（Qt），从而改变局部电场分布。与此同时，电离辐射还会在Si-SiO?界面处诱发界面陷阱（ΔDit），这些陷阱作为Shockley-Read-Hall（SRH）复合中心，增加了图像传感器的暗电流[7]、[8]、[9]、[10]。