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碲镉汞焦平面阵列光电转换的信号电流通过铟栅阵列传输到读出集成电路进行预处理,单像元p-n结耦合匹配的读出电路结构有多种形式,常用的直接注入(DI)和电容反馈跨阻抗放大器(CTIA)具有结构简单、偏置稳定、注入效率高、低噪声等特点。虽然这些电路结构形式不同,一般都是运用光生信号电流(包括暗电流)在电容上积分实现电流电压的转换,因此输出信号电压的数学模型为[19]:
$${V_{{\rm{out}}}} = G\frac{{\left[ {{I_{{\rm{dark}}}}\left( {V,\lambda ,T} \right) - {i_{\rm{g}}}\left( \lambda \right)} \right]{T_{\rm{int} }}}}{{{C_{\rm{int} }}}} + G{V_{{\rm{ref}}}} + {V_{\rm{N}}} + {V_{\rm{Z}}}$$ (1) 式中:ig(λ)为像元接收红外辐射光子经过光电效应转换产生的光电流;Idark(V,λ,T) 为材料、器件工艺决定的暗电流;V、T为像元p-n结的偏置电压和工作温度;λ为接收辐射的波长;G为源跟随器、列缓冲器和输出缓冲器增益G1、G2、G3的乘积;Cint为积分电容;Tint为积分时间;Vref为运算放大器正向输入端的参考电压;VN为像元的输出噪声;VZ为封装信号传输阻抗产生的压降。
像元信号电压随积分时间变化的斜率跟像元的有效量子效率、吸收系数、光敏面积、暗电流、积分电容及电路增益有关。由公式(1)可知,对于正向输出白热的红外焦平面阵列组件。当异常像元与正常像元电流差小于0时,输出信号电压小于正常值,像元电流增大;当异常像元与正常像元电流差大于0,输出信号电压大于正常值,像元电流减小。
用接收黑体温度293 K、308 K条件下辐照功率的输出信号电压作像元响应直线如图3所示。理想的碲镉汞焦平面阵列,接收均匀辐照输出幅度完全一样的信号电压,它的响应曲线重叠为一条曲线。那些偏离理想曲线的异常曲线,它们的斜率、截距不同于正常值。有10种类型的异常响应曲线:斜率大于零、小于或大于正常值,斜率等于零、截距小于或大于正常值,斜率小于零、截距小于或大于零,斜率趋于或等于正常值、截距小于或大于正常值。
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中波或长波320×256探测器杜瓦制冷机组件性能评价测试数据可视化如图4、图5所示。按超出信号电压±7.5% (A、B)、响应电压±30% (C、C′)、噪声电压±2×(D、D′)、NETD±2×(E)平均值甄别无效像元。如图4(a)所示,无效像元的输出信号电压具有如下特性:
图 5 出厂性能评价测试数据四维散点图
Figure 5. Four dimensional scatter of production performance evaluation test data
(1)信号电压大于正常值的无效像元,它的噪声电压大于正常值;
(2)信号电压小于正常值的无效像元,它的噪声电压小于正常值;
(3)只有响应率超出规定阈值的无效像元,绝大多数的信号电压大于正常值;
(4)信号电压大于正常值,绝大多数是仅有响应率超出规定阈值的无效像元,这类像元在热图像中表现为过亮点;
(5)信号电压小于正常值,绝大多数是噪声电压和响应率都超出规定阈值的无效像元,反之不一定成立,这类像元在热图像中表现为过暗点。
运用箱线图直观地识别出性能评价数据中的正常值和异常值,离群值用红色“+”标记,如图4(b)所示。像元信号电压、响应电压的正常值集中在上边缘一侧,分布呈现左偏态;响应电压异常值集中在下边缘一侧。像元噪声电压、NETD正常值集中在下边缘一侧,分布呈现右偏态;像元噪声电压、NETD异常值集中在上边缘一侧。在虚线之外明显小于或大于正常值的极端异常值,以及异常小值或异常大值都是无效像元。无效像元的像元信号电压、噪声电压明显小于或大于正常值,响应电压、NETD小于或等于0的像元都是无效像元,响应电压、NETD明显大于正常值的像元也是无效像元。图4(a)、图4(c)直观地可视化了无效像元剔除的效果,其中C′、D′、E′ 是响应电压超出±30%平均值、噪声电压大于2×平均值、NETD大于2×平均值甄别的无效像元。由此可见,任何单一判断筛选标准都不能有效地甄别出全部无效像元。
图5是297 K黑体温度下的像元信号电压VDN20、响应电压VS、噪声电压VN和NETD绘制的四维散点图,有助于直观了解它们之间的相依关系,分析有效像元或无效像元的性能参数及分布特性。
在人眼的视网膜中,视细胞的响应存在±10%的差异,人眼的阈值对比度(临界对比度) 2%~5%[20]。因此,超出±(6%~7.5%)正常值输出的像元很容易被人眼识别区分出亮或暗。过亮点有响应、输出远大于正常值,过暗点没有响应、输出远小于正常值。亮点或暗点有响应、输出随入辐射的变化而变化,相较于正常像元有明显差异,表现为响应太大或太小,它们的输出明显大于或小于正常像元。
测量不同黑体温度条件下的输出信号电压,黑体温度推荐从−45 ℃到+55 ℃变化,间隔不同温度测量点不少于5点,用超出±(6%~7.5%)平均值剔除无效像元最直接有效,仅297 K、302 K两个温度点信号电压剔除的无效像元就接近响应电压超出±30%平均值的剔除效果。性能评价测试数据用A∪B∪C∪D∪E=F标准处理,甄别剔除的无效像元数大于常规C’∪D’∪E’=F’方法。无效像元最有效的单一判断标准是NETD超出±2×平均值(或大于2×平均值(E’),<0)。
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典型无效像元如图6。蓝色响应直线的像元是初始无效像元与使用无效像元重叠的无效像元。实线像元的信号电压和噪声电压小、响应电压为0,热图中恒定显示为过暗点(图1(b));虚线恒定过热像元初始为信号电压和噪声电压大、响应电压大的亮点,使用退化为信号电压大、噪声电压小、响应电压为0的过亮点)。绿色响应直线的像元是热应力导致位错引起的新增使用无效像元,像元信号电压大、噪声电压小,响应电压为0 (图1(b))。红色响应直线的像元是热应力导致位错引起的新增使用无效像元,响应直线呈水平状的像元信号电压大、噪声电压小,响应电压为0,p-n结短路损坏,而另两个像元的信号电压大、噪声电压大,响应电压不为0 ;青色响应直线的像元是新增使用无效像元,像元信号电压大、噪声电压小,响应电压为0。品红虚线的像元是初始无效像元,它的铟栅阵列没有连通,像元信号电压、噪声电压小,响应电压为0 ;品红实线的像元是使用无效像元,它的铟栅阵列没有连通,像元信号电压、噪声电压小,响应电压为0;黑色响应直线的像元是热应力导致位错引起的初始无效像元,过热无效像元的信号电压大、噪声电压小,响应电压大。
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由15只中波320×256探测器杜瓦制冷机组件293 K、308 K输出信号电压绘制的无效像元响应直线,如图7所示。第1、2行为出厂时检测得到的无效像元,第3、4行为返厂时检测得到的无效像元。其中,第2、4行是出厂时与返厂时检测得到的无效像元的交集,即恒定不变的初始无效像元。
图 7 初始、使用无效像元及其交集可视化响应直线
Figure 7. Visual response line of initial non-effective pixels and using non-effective pixels and their intersection
表1给出15只组件出厂(F1)、返厂(F2)由A∪B∪C∪D∪E标准确认的无效像元实测数据。在使用过程中,平均有57%的初始无效像元转变为有效像元,这部分新的有效像元在热像仪从新校正前,仍然表现为暗点或亮点;返厂时,平均有72%的无效像元是新增使用无效像元。所以,在热像仪从新校正前,使用过程中的表观无效像元,包括转变为有效像元的初始无效像元、恒定不变的初始无效像元和新增的使用无效像元,平均有86.45%的表观无效像元属于不稳定的闪元和漂移像元。平均表观有效像元率相对于初始有效像元率减小1.07个百分点为98.41%。初始过热像元平均占无效像元的比例为65%,使用过热像元平均占无效像元的比例为44%。过热像元占比减小,显示存在系统性缺陷,使得像元的响应直线呈水平状。因为,经历开关机高低温度循环,以及振动、冲击和过饱和辐照等环境应力作用,导致潜在制造缺陷被激发,引起无效像元的类型、分布偏离初始状态。
表 1 A∪B∪C∪D∪E标准确认的出厂、返厂检测无效像元数
Table 1. Number of non-effective pixels of test results in the factory and returned factory confirmed by A∪B∪C∪D∪E standards
S201 S418 S510 S528 S535 S099 S224 S291 S403 S406 S501 S520 S522 S701 S015 Mean F1 non-effective pixels 128 109 34 465 98 974 399 105 207 340 100 245 277 112 13 240 D'/F1 over hot pixels ratio/% 64 70 68 50 23 72 75 68 85 48 73 74 67 63 38 65 (F1-F1∩F2)/F1/% 78.13 99.08 61.76 53.55 61.22 83.26 53.88 30.48 43.96 54.71 32.00 58.37 65.34 32.14 53.85 57.45 ${\rm{F}}2$ non-effective pixels 768 541 207 3173 2652 1634 1472 165 618 1527 157 1412 1317 157 26 1055 D′/F2 over hot pixels ratio/% 63 33 11 28 58 43 38 43 60 36 79 47 33 75 12 44 ${{\left( {{\rm{F}}2 - {\rm{F}}1 \cap {\rm{F}}2} \right)}/ {{\rm{F}}1}} \cup {\rm{F}}2$/% 85.25 83.20 85.09 86.41 96.39 60.16 76.35 46.70 70.80 80.15 47.09 84.24 81.51 41.97 60.61 72.40 (F1∩F2) 28 1 13 216 38 163 184 73 116 154 68 102 96 76 6 89 $\dfrac{ {{\rm{F}}1 + {\rm{F}}2 - 2\left( {{\rm{F}}1 \cap {\rm{F}}2} \right)} }{ {{\rm{F}}1 \cup {\rm{F}}2} }$/% 96.77 99.85 94.30 93.69 98.60 93.33 89.09 62.94 83.64 91.01 64.02 93.44 93.59 60.62 81.82 86.45 Up time/y 4.04 3.66 2.59 1.47 3.45 2.66 2.51 1.04 2.51 2.48 0.13 2.50 2.50 0.02 2.05 2.24 由图7、表1可知,过热像元在无效像元里的比例较大,而且大多数过热像元与有效像元响应直线的斜率相差不多,信号电压随时间的变化而变化,在热图像中表现为闪烁或跳变点。使用后有7只组件响应直线的斜率趋近于0、等于0和小于0,且输出信号电压(响应直线截距)明显大于或小于正常值的过热像元或死像元增多。15只组件平均能用时间2.24年,过热像元的数量以平均每年289个的速率递增,死像元的数量以平均每年223个的速率递增,无效像元的数量以平均每年525个的速率递增。作为比较,国外太空望远镜,使用4.5年长波HgCdTe焦平面阵列中过热像元的数量以每年60个的速率递增,使用1.5年中波HgCdTe焦平面阵列出现大量暗电流偏大的像元,暗电流从原来的小于0.01 e−s−1增大为0.1 e−1s−1~60 e−s−1[19]。
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现有制造工艺技术水平不可能生产出理想的碲镉汞焦平面阵列,接收均匀辐照输出幅度完全一样的信号电压。由于制造焦平面阵列p-n结的碲镉汞材料不均匀(杂质浓度、晶体缺陷、内部结构的不均匀性等)、缺陷、工艺条件等影响,它的输出幅度并不相同。凝视红外焦平面阵列的视频输出不均匀性是探测器、读出电路、半导体特性以及放大电路等各种因素综合的结果[6]。杂质、缺陷、界面陷阱等一般表现为噪声大,应力会导致过热无效像元增加或出现闪烁无效像元、暗电流增大或动态电阻降低;材料缺陷或工艺缺陷被激发,造成钝化膜脱落、金属电极电迁移、汞溢出和扩散、界面态发生改变,引起暗电流增大、动态电阻降低、光谱响应变差、响应率变化、噪声异常[21]。p-n结短路损坏的像元信号电压大于正常值或过饱和。
随机性缺陷由制造工艺过程中工作介质里的杂质颗粒、设备和环境中的悬浮颗粒沉积造成,例如,真空沉积钝化膜、电极膜容易产生小于或大于像元的颗粒污染物。系统性缺陷是指由制造工艺过程所涉及到的人、机、料、法、环产生的缺陷。例如,拾取、转运、键合、贴装、对位等工艺操作,造成划痕、擦痕、压痕等损伤;清洗、刻蚀、光刻等工艺造成污染、异物及电学连通不良等缺陷。表面缺陷还包括材料固有缺陷,由衬底、薄膜材料制造工艺缺陷产生,例如,圆坑、平台等会产生无效像元、表面漏电流。如果光刻的图形边缘不齐整或有毛刺,会导致电流密度分布不均匀,引入额外的噪声。
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碲镉汞材料平面度大(翘曲),倒装焊接工艺找平误差、铟栅阵列高度、焊接压力、冷压或回流等互连工艺质量缺陷,以及铟栅阵列制备等工艺缺陷造成铟栅阵列互连电学传输质量不可靠,容易出现接触不良的现象,产生1/f噪声或压降,形成像元信号电压为0或较小的无效像元。焊接压力影响位错密度与R0 A的分布关系。铟栅阵列互连缺陷,包括像元p-n结与读出电路输入级开路、相邻像元铟栅阵列相互连通形成短路、连通不可靠接触电阻不稳定。相邻像元铟栅阵列短路,不能通过均匀辐照像元信号电压或响应电压检测识别,因为相连缺陷像元的信号电压或响应电压与正常像元的信号电压或响应电压基本相同[22]。没有连通形成开路的像元响应电压为0 (理想情况下),其周围最相邻像元的响应电压相比正常像元增加约1.25倍[23]。
图8给出2只组件308K输出信号电压的灰度图。出厂初始无效像元(行137,列54)的铟栅阵列没有连通,周围最相邻像元(137,53) (136,54) (137,55)(138,54)的响应电压相比正常像元增加约1.26倍,如图8(a)。返厂组件在使用状态应力作用下出现“十字”形无效像元故障,是铟栅阵列互连缺陷在热应力激励下连接质量特性退化,造成(214,81) (132,242)像元p-n结与读出电路输入级开路的使用无效像元,如图8(b)所示。
图 8 铟栅阵列没有连通产生“十字”形无效像元
Figure 8. “Cross” shaped non-effective pixels produced by unconnected indium bumps
碲镉汞红外焦平面探测器杜瓦制冷机组件工作时,碲镉汞焦平面阵列从自然环境温度制冷到低温80 K工作温度,结束工作碲镉汞焦平面阵列从工作温度升温恢复到自然环境温度,寿命周期内经历数千甚至上万次的工作温度循环,造成焊点疲劳和失效。在经历振动冲击、高低温循环、过压或过流等应力激发,铟栅阵列制备的不完整、高度不一致等工艺缺陷造成连接可靠性下降,引起铟栅阵列蠕变、相连、接触不良、脱开等现象发生,连通率下降。
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探测器芯片用粘接剂连接到制冷机的冷头上,多层异种材料热适配产生热应力,碲镉汞焦平面阵列受到应力作用,在像元p-n结中储存的应变能变大,达到临界值发生应变驰豫、产生失配位错,碲镉汞材料通过晶体滑移形成失配位错来实现应力释放。因此,碲镉汞焦平面阵列像元性能退化形成线状无效像元簇,是应力作用产生晶格滑移导致位错形成后的应变引起,并非是碲镉汞材料断裂导致线状无效像元簇。所以,失效分析中常常不能观察到显见的断裂裂纹,而又存在线状无效像元簇。早期应变能相对较小,像元信号电压变大为过热像元,在热图像中表现为亮点如图9(a)所示。当应变能积累达到强度极限时,才会出现碲镉汞材料的断裂裂纹,此时像元输出电压变小为死像元,在热图像中表现为暗点如图9(c)所示。在碲锌镉(111) B衬底上生长液相外延碲镉汞薄膜,其滑移面与(111) B生长面的3条交线构成一个夹角60°正三角形,3条交线均等价于[110]方向[24]。图9(b)、图9(c)、图9(d)中交叉线状无效像元簇的夹角呈现60°或120°。在焦平面阵列中,碲镉汞材料中的应变会降低材料的载流子寿命,从而增大像元p-n结的暗电流、降低响应率。
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红外焦平面阵列的电气互连主要有碲镉汞焦平面阵列与硅读出集成电路的铟栅阵列互连、硅读出集成电路与陶瓷基板金属化焊盘的引线键合、陶瓷基板金属化焊盘与杜瓦引出布线金属化焊盘的引线键合等。封装电信号路径由引线键合、互连线几何版图、材料特性和它们的几何尺寸等构成,存在于封装结构中的寄生电容和电感等分布参数是噪声产生的重要因素,电气互连设计就是要降低这些寄生效应。根据制造工艺能力和封装材料特性确定封装结构的最小线宽、线间距、传输线和介质层厚度、介电常数、电导率等物理参数,有效减小或抑制与交叉串扰、时钟干扰和电磁干扰有关的噪声源。
模拟信号传输路径构成的传输网络中,有些电压或电流能传递到邻近区域网络上,通过分布参数耦合有害噪声形成串扰噪声,如图10。多路输出的焦平面阵列像元信号线上存在着自感和互感,快速变换的时钟线和积分信号线能造成电流变化率,像元信号线上耦合的感生电压为[25]:
图 10 串扰噪声[25]
Figure 10. Crosstalk noise
$${V_{\rm{N}}} = {L_{\rm{m}}}\dfrac{{\Delta V}}{{{T_{10{\text{%}} \sim 90 {\text{%}} }}Z}}$$ (2) 式中:VN为线路1在线路2上产生的感生电压:Lm为线路互感;Z为线路上的负载阻抗。假设数字信号电平在转换的过程中电平转换为ΔV,转换时间为T10%~90%。
碲镉汞焦平面阵列与硅读出集成电路互连和信号传输引线键合的接触缺陷是1/f噪声的一个重要来源[26],1/f或闪烁噪声很大程度上由接触电阻变化产生,已确信是由表面态势的杂乱变化引起的。
Characteristics and causes of non-effective pixels of HgCdTe FPA
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摘要: 中波或长波红外焦平面阵列有效像元率递减的变化趋势,必然是由制造工艺缺陷、特定的工作应力或环境应力引起的某种机理造成。根据红外探测器输出信号电压的数学模型,通过信号传输分析、性能评价测试数据统计分析,运用统计图形、响应曲线及输出信号电压灰度图等可视化手段,直观地呈现无效像元的类型、数量、位置、分布,以及像元信号电压、噪声电压和响应电压等无效像元特性。统计分析显示,像元中心距15 μm的中波320×256探测器杜瓦制冷机组件,在使用过程中平均表观有效像元率相对于初始有效像元率减小1.07个百分点,平均有86.45%的表观无效像元为不稳定的闪元和漂移像元,设计和制造缺陷导致使用无效像元的响应直线呈水平状、响应电压趋于0,热适配引起的应力是造成线状分布使用无效像元簇的原因。提出用不同黑体温度条件下像元信号电压超出平均值±(6%~7.5%)的判别准则筛选识别无效像元的方法。Abstract: The reduced trend of operable pixel factor of medium wave or long wave infrared focal plane array must be resulted from some failure mechanism caused by manufacturing process defects, specific working stress or environmental stress. Mathematical model based on the output signal voltage of infrared detector, through the analysis of signal transmission and the statistical analysis of performance evaluation test data, visualization means such as statistical graphs, response curves and output signal voltage grayscale were used to visually express non-effective pixel characteristics, such as the types, number, locations, distribution, and output signal voltage, noise voltage, response voltage. Statistical analysis shows that the average apparent operable pixel factor is reduced by 1.07 percentage points relative to the initial operable pixel factor during use of the medium wave 320×250 detector Dewar cooler assembly of pixel pitch 15 μm, 86.45% of apparent non-effective pixels are unstable flickering pixels and drifting pixels on average. Design and manufacturing defects cause the response line of non-effective pixels to be horizontal, and the response voltage tends to 0. The thermal adaptation stress is the reason for non-effective pixel clusters of linear. A method was proposed to screen and identify non-effective pixels based on the criterion that the pixel signal voltage exceeded the average value of ±(6%~7.5%) under different blackbody temperatures.
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Key words:
- physics of failure /
- failure analysis /
- IRFPA /
- blind pixel /
- reliability
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图 10 串扰噪声[25]
Figure 10. Crosstalk noise
表 1 A∪B∪C∪D∪E标准确认的出厂、返厂检测无效像元数
Table 1. Number of non-effective pixels of test results in the factory and returned factory confirmed by A∪B∪C∪D∪E standards
S201 S418 S510 S528 S535 S099 S224 S291 S403 S406 S501 S520 S522 S701 S015 Mean F1 non-effective pixels 128 109 34 465 98 974 399 105 207 340 100 245 277 112 13 240 D'/F1 over hot pixels ratio/% 64 70 68 50 23 72 75 68 85 48 73 74 67 63 38 65 (F1-F1∩F2)/F1/% 78.13 99.08 61.76 53.55 61.22 83.26 53.88 30.48 43.96 54.71 32.00 58.37 65.34 32.14 53.85 57.45 ${\rm{F}}2$ non-effective pixels768 541 207 3173 2652 1634 1472 165 618 1527 157 1412 1317 157 26 1055 D′/F2 over hot pixels ratio/% 63 33 11 28 58 43 38 43 60 36 79 47 33 75 12 44 ${{\left( {{\rm{F}}2 - {\rm{F}}1 \cap {\rm{F}}2} \right)}/ {{\rm{F}}1}} \cup {\rm{F}}2$ /%85.25 83.20 85.09 86.41 96.39 60.16 76.35 46.70 70.80 80.15 47.09 84.24 81.51 41.97 60.61 72.40 (F1∩F2) 28 1 13 216 38 163 184 73 116 154 68 102 96 76 6 89 $\dfrac{ {{\rm{F}}1 + {\rm{F}}2 - 2\left( {{\rm{F}}1 \cap {\rm{F}}2} \right)} }{ {{\rm{F}}1 \cup {\rm{F}}2} }$ /%96.77 99.85 94.30 93.69 98.60 93.33 89.09 62.94 83.64 91.01 64.02 93.44 93.59 60.62 81.82 86.45 Up time/y 4.04 3.66 2.59 1.47 3.45 2.66 2.51 1.04 2.51 2.48 0.13 2.50 2.50 0.02 2.05 2.24 -
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