CCD表面暗电流特性研究

雷仁方，王 艳，高建威，钟玉杰

(重庆光电技术研究所第一研究室，重庆 400060)

自从电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)在贝尔实验室被发明以来，其在星载、航空航天、微光夜视、医疗和工业等方面得到了广泛应用。在饱和输出幅度、量子效率、暗电流、噪声等CCD参数中，低暗电流一直是CCD研发人员的努力方向［1］。CCD暗电流由Si－SiO2界面的表面暗电流、耗尽区的耗尽区暗电流和场自由区的扩散电流组成［2］，其中表面暗电流占据CCD暗电流的主导地位。为了抑制表面暗电流，多相钉扎(Multi－Pinned Phase，MPP)、所有栅钉扎(All Gate Pinned，AGP)和反型工作模式(Inverted Operation Mode，IOM)等工作模式都可在CCD表面的硅－二氧化硅界面形成了空穴积累层，抑制表面暗电流的产生［3－6］，使这些工作模式下的CCD暗电流仅来源于耗尽区暗电流和扩散暗电流，具有更低的暗电流特性。但在实际应用时，如线阵CCD和TDI CCD等，无法采用MPP结构来抑制表面暗电流。所以，表面暗电流会是CCD研发人员的关注重点。本文针对CCD表面暗电流的温度特性和辐照特性进行了分析和实验验证。

1 CCD暗电流理论分析

CCD的暗电流有3个重要来源，即Si－SiO2界面的表面暗电流、耗尽区暗电流和场自由区的扩散电流，如图1所示，表面暗电流由硅－二氧化硅表面的界面态密度决定;耗尽区暗电流产生于耗尽区的热产生电子，由有效少子寿命决定;扩散暗电流产生于沟阻、CCD势阱下方的中性区域和衬底［7－8］。表面暗电流IS、耗尽区暗电流IDEP和扩散暗电流IDIF分别由下式表示

式中，q为电子电荷;ni为硅的本征载流子浓度;NSS为硅－二氧化硅界面的界面……