EMCCD倍增增益老化分析与评价技术

李钦，吴琼瑶，伍明娟，林珑君，段大川，林雪梅

（ 中国电子科技集团公司第四十四研究所，重庆 400060）

0 引言

微光成像技术在国防军事、科学研究等领域中有着不可替代的作用。电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）不需要借助像增强器便可实现微光成像，是真正意义上的全固态高灵敏度微光成像探测器。EMCCD具有体积小、寿命长和可靠性高等优势，能适应复杂环境应用，逐渐地发展成为新一代的先进微光成像探测器件[1]。在卫星全天时相机对地观察、空间攻防、微光制导和科学研究等领域，EMCCD有着广泛的应用前景，已经成为各国竞相发展的战略高新技术[2]。

目前，空间用EMCCD芯片的设计与制造均由Teledyne（下属E2V和DALSA）、Onsemiconductor和TI这3家美国公司完全掌握[3]，美国政府也对EMCCD技术进行严格的技术封锁和产品出口管制[2]。而我国全天时相机对地观察等系统需要采用EMCCD，因此，急需针对国产化EMCCD开展倍增增益老化分析评价技术研究，提高国产EMCCD的可靠性及技术成熟度，以满足我国相关航空航天及武器装备的迫切应用需求。

由于寄生效应的存在，在使用一段时间后EMCCD的增益值会下降，即是EMCCD的老化效应[3]。在相同的工作条件下，EMCCD寿命初期其倍增增益随时间变化而快速地衰退；经过一段工作时间后，倍增增益随时间变化而缓慢地下降；寿命后期，倍增增益趋于稳定。本文重点研究EMCCD倍增老化机理，分析工作电压、工作温度和工作频率等对其老化速率的影响，搭建老化试验及分析评价测试系统，针对国产1 024×1 024 EMCCD开展老化试验，使其快速地进入倍增增益稳定期。

1 老化试验及分析评价测试系统的搭建

选取编号为器件A、器件B和器件C的3只器件（如图1所示）作为老化试验样品，并确定增益老化测试条件，如表1-3所示[4]。

图1 1 kEMCCD低温倍增老炼测试平台及倍增老炼器件

表1 器件A增益老化测试条件

表2 器件B增益老化测试条件

表3 器件C增益老化测试条件

2 倍增稳定性实测数据

2.1 器件A的倍增稳定性测试

a）初次倍增稳定性测试

将芯片先制冷到-20 ℃，调节器件A的倍增电压，使倍增倍数达到200倍，每小时记录其倍增倍数的变化值，结果如图2所示。

图2 器件A初次倍增稳定性测试(-20 ℃)

从图2中可以看出，测试期间前8 h倍增倍数的衰减速度快，100 h后稳定在40倍左右。

b）第二次倍增稳定性测试

第一次倍增后器件A断电2 h，重新上电时先将芯片制冷到-20 ℃，然后调节倍增电压，使倍增倍数达到520倍，结果如图3所示。

图3 器件A第二次倍增稳定性测试(-20 ℃)

从图3中可以看出，测试期间前3 h的倍增倍数稳定在500倍以上，100 h后仍稳定在260倍左右。

第二次倍增稳定性测试结束后器件断电两天，再上电制冷到-20 ℃，调节倍增电压使倍增倍数达到500倍，在无光照条件下测试倍增区的读出噪声为2.23 mV，取cvf=6，换算等效噪声电子为0.74个，说明此时器件已经进入稳定性噪比状态。

2.2 器件B的倍增稳定性测试

a）初次倍增稳定性测试

将芯片先制冷到-20 ℃，调节器件B的倍增电压，使倍增倍数达到900倍，每小时记录其倍增倍数 的变化值，结果如图4所示。

图4 器件B初次倍增稳定性测试

从图4中可以看出，测试期间前8 h倍增倍数的衰减速度快，100 h后稳定在200倍左右。

b）第二次倍增稳定性测试

第一次倍增后器件B断电24 h，重新上电时保持器件工作点与第一次倍增起始点一致(芯片制冷温度为-20 ℃，设定的倍增电压与第一次一致)，计算此时倍增倍数约为200倍，与第一次倍增老化结束时基本一致。每小时记录其倍增倍数的变化值，如图5所示。

图5 器件B第二次倍增稳定性测试

从图5中可以看出，测试期间前30 h的倍增倍数稳定在200倍左右，30 h后倍增倍数开始衰减。

2.3 器件C的倍增稳定性测试

将芯片先制冷到-20 ℃，调节器件C的倍增电压，使倍增倍数达到800倍，每24 h记录其倍增倍数变化值。老炼期间每24 h观察倍增倍数的变化趋势，适当地改变倍增电压，让倍增倍数维持在800倍左右，观察有外部干预的情形下器件倍增倍数的衰减趋势，测试结果如图6所示。

图6 器件C倍增稳定性测试

从图6中可以看出，由于该只器件从未进行过老炼测试，在前3天的每24 h老炼循环周期里倍增倍数衰减很快，大约100 h后趋于稳定；在200 h后，一个循环周期内，倍增稳定度能达到5.35%。

3 结束语

此老化测试方法模拟了EMCCD在实际使用场景的器件参数要求，得出了器件在同一工作温度(-20 ℃)、不同的起始倍增倍数下，以及不调节倍增电压和调节倍增电压的情况下倍增倍数的衰减趋势，对器件的衰减稳定性进行了量化评估[5]。同时为国产1 024×1 024 EMCCD老化工艺文件的编写提供了一定的数据支撑，使得国产1 024×1 024 EMCCD在生产完成后快速地进入增益稳定期，满足用户的使用需求。