[論文レビュー] Effects of Temperature Anneal Cycling on a Cryogenically Proton Irradiated CCD

S. Parsons, Thomas W. Buggey+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2021

CCD and CMOS Imaging Sensors参考文献 20被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、SMILE宇宙ミッションの条件を模擬する低温環境下で、冷却プロトン線量照射を受けたCCD280に対する温度アニーリング効果を調査した。153 Kから188 Kへの熱的サイクリングにおいてトラップ状態の大幅な変化が見られたが、並列的電荷転送非効率性（CTI）は変化しなかった。これは、この温度範囲においてCTI補正アルゴリズムが熱履歴を考慮する必要がないことを示している。

ABSTRACT

Throughout a typical Earth orbit a satellite is constantly bombarded by radiation with trapped and solar protons being of particular concern as they gradually damage the focal plane devices throughout the mission and degrade their performance. To understand the impact the damage has on CCDs and how it varies with their thermal history a proton radiation campaign has been carried out using a CCD280. The CCD is irradiated at 153 K and gradually warmed to 188 K in 5 K increments with Fe55 X-ray, dark current and trap pumping images taken at 153 K after each anneal step. The results show that despite the trap landscape changing throughout the anneal it has little impact on parallel charge transfer inefficiency. This is thought to be because most traps are unaffected and a lot of those that do anneal only move from the continuum between distinct trap species and into a nearby divacancy trap 'peak' whose emission time constant is similar enough to still impact the CTI. In terms of using a CCD280 or similar devices in a mission the CTI being unaffected by thermal annealing up to 188 K means that any CTI correction needed as the radiation damage builds up does not have to take into account the thermal history of the focal plane. However, it is possible that a significant amount of annealing will occur at temperatures greater than 188 K and care should be taken when a mission is operating in this range to gather accurate pre-flight data.

研究の動機と目的

• 地球軌道ミッションの条件を反映する低温環境下における放射線損傷を受けたCCDの熱アニーリング効果を評価すること。
• 温度サイクリングがプロトン線量照射を受けたCCDにおける電荷転送非効率性（CTI）に与える影響を特定すること。
• 等温アニーリング中のトラップ状態の進化をマッピングし、CTIおよびダーク電流に与える影響を評価すること。
• 本研究の結果を基に、この温度範囲内でCTI補正を熱履歴に依存せずに適用可能であることを検証し、ミッション設計を支援すること。
• SMILEのSXIのような低フラックスX線計器に用いられる宇宙用に適合したCCDの正確な打ち切り前特性データを提供すること。

提案手法

• SMILEミッションの想定される寿命終了時のフラクチャーの70%に相当する線量を、153 Kで7.4 MeVプロトン線量照射によりCCD280に照射した。
• 153 Kから188 Kまで5 Kごとの等温アニーリングを実施し、各ステップで定期的な測定を実施した。
• 各アニーリングステップ後に153 KでX線CTI測定を実施し、並列CTI性能を評価した。
• トラップエネルギー準位状態と放出時間定数を、トラップポンピング技術を用いて温度範囲全域で特徴付けた。
• 各温度ステップでダーク電流を測定し、熱アニーリングがノイズに与える影響を評価した。
• 照射前とアニーリング後のデータを比較し、デバイス性能に与える熱履歴の影響を分離した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 153 Kから188 Kへの等温アニーリングが、プロトン線量照射を受けたCCD280の並列的電荷転送非効率性（CTI）にどのように影響するか？
• RQ2 熱アニーリング中にトラップ状態はどのように進化するのか？また、トラップエネルギー分布とCTI劣化の関係は何か？
• RQ3 153–188 Kの範囲で熱アニーリングが行われた際、ダーク電流は顕著に改善されるか？
• RQ4 アニーリングによるトラップ放出時間定数の変化が、CTI性能に与える影響はどの程度か？
• RQ5 この温度範囲において、CTI補正アルゴリズムは熱履歴に依存せずに適用可能か？

主な発見

• 153 Kから188 Kの全アニーリング温度範囲において、並列CTIは変化せず、電荷転送性能に顕著な影響がないことが示された。
• 連続欠陥からダイバランス・トラップピークへの移行を含む、トラップ状態の顕著な進化が見られたが、放出時間定数が類似したままであるため、CTIに影響はなかった。
• 大部分のトラップはアニーリングに影響を受けず、影響を受けるトラップも周囲の類似した放出時間定数を持つトラップ種に移行した。
• ダーク電流はアニーリング範囲全体で最小限の変化を示し、統計的に有意な改善は観察されなかった。
• 173 Kに暖めた後、153 Kで15週間のアニーリングを実施してもCTIに変化がなく、長時間の熱暴露下でも安定であることが確認された。
• これらの結果から、153–188 Kの温度範囲においては、熱履歴を考慮せずCTI補正を適用可能であることが支持され、軌道上でのデータ処理が簡素化された。