物理学报2024,Vol.73Issue(23) :97-106.DOI:10.7498/aps.73.20241246

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

Geant4 simulation of Hg1-xCdxTe infrared focal plane array image sensor space proton displacement damage and total ionizing dose effects

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
物理学报2024,Vol.73Issue(23) :97-106.DOI:10.7498/aps.73.20241246

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

Geant4 simulation of Hg1-xCdxTe infrared focal plane array image sensor space proton displacement damage and total ionizing dose effects

杨卫涛 1武艺琛 1许睿明 2时光 3宁提 4王斌 1刘欢 3郭仲杰 2喻松林 4吴龙胜1
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作者信息

  • 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
  • 折叠

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 pixelx2 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.

Abstract

A large-format,high-resolution Hg1-xCdxTe 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 Hg1-xCdxTe 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 Hg1-xCdxTe 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 Hg1-xCdxTe 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 Hg1-xCdxTe IRFPA image sensors.

关键词

碲镉汞/红外焦平面/质子/Geant4/位移损伤/电离总剂量

Key words

Hg1-xCdxTe/infrared focal plane/proton/Geant4/displacement damage/total ionizing dose

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出版年

2024
物理学报
中国物理学会,中国科学院物理研究所

物理学报

CSTPCDCSCD北大核心
影响因子:1.038
ISSN:1000-3290
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