Certaines applications spatiales exigent des détecteurs capables de détecter des photons individuels, nécessitant une combinaison de courant d'obscurité (DC) ultra-faible, de bruit de lecture de moins d’un électron (DSERN), et d’une robustesse face à l'environnement radiatif spatial. Récemment, une famille de capteurs d'image CMOS présentant une capacité de détection au photon unique a émerger sur le marché commercial. Ces « quanta image sensor » (QIS) atteignent cet objectif d’abord en minimisant les capacités parasites du nœud de lecture intra pixel afin d'augmenter considérablement le gain de conversion puis en employant des techniques de réduction de bruit. Les QIS présentent un grand intérêt pour les futures missions spatiales nécessitant des prises de vues à faible niveau de lumière. Il devient alors crucial d’évaluer cette technologie en environnement spatial incluant notamment la tenue aux radiations ainsi que de leurs impacts sur les performances electro-optique des QIS.
Le courant d’obscurité est un courant parasite qui s’ajoute au courant photogénéré, limitant ainsi les performances du comptage de photons du capteur. Les QIS étudiés possèdent des courant d’obscurité de moins d'un électron par temps d'intégration. Grâce à son DSERN, la caractérisation du courant d’obscurité des QIS est réalisée en observant la génération d'électrons d'obscurité individuels. La dépendance en température de cette génération révèle que les contributeurs dominants au courant d’obscurité résident dans des régions non dépeuplées, comme l'indiquent leurs énergies d'activation proche du gap du silicium. Cette énergie d'activation est attribuée typiquement à la diffusion de porteurs appelé courant de diffusion. Cependant, une nouvelle dérivation analytique révèle que cette signature en température résulte plutôt de la présence de porteurs aux interfaces, et non d’un mécanisme de transport. Une simulation d'un pixel QIS suggère d’ailleurs qu'une passivation adéquate des états de défauts aux interfaces, notamment l'interface de la grille de transfert, peut diminuer d’avantage la génération d'électrons d'obscurité.
Le signal télégraphique aléatoire du source follower intra pixel (SF-RTS) représente un autre signal indésirable. Il constitue une limite pour évaluer précisément le signal photogénéré. Les pixels QIS présentant des niveaux de bruit élevées ont été observés expérimentalement et présentent des histogrammes de signal d'obscurité complexe contrairement à une distribution normale typiquement attribuée aux processus de génération thermique. A partir d’histogrammes de pixels SF-RTS échantillonnés par double échantillonnage corrélé, une simulation a été réalisée pour étudier l'effet d’échantillonnage multiple corrélé (CMS). La simulation a produit un signal d'obscurité RTS post-CMS représentatif des observations expérimentales, soutenant l'idée que, malgré son intention de suppression du bruit, le CMS aggrave l'impact négatif des pixels SF-RTS.
Le courant d’obscurité et le bruit de lecture peuvent tous deux être exacerbés dans l'environnement radiatif sévère de l'espace. Par conséquent, des tests sous irradiation sont nécessaires pour comprendre la tenue de ces capteurs en vol. Après l'exposition de plusieurs QIS à des fluences allant jusqu'à 2 × 10¹¹ particules/cm² et des doses de 30 krad(Si), il a été observé que le courant d’obscurité augmente linéairement avec la dose. Par ailleurs, des évolutions dans les niveaux de bruit ont été observés après irradiation aux protons et aux rayons gamma. Ceux-ci indiquent que, il existe une sensibilité accrue aux caractéristiques des transistors dans la chaine de lecture, ce qui peut éventuellement limiter les performances du capteur. Malgré cela, tous les QIS testés ont conservé leur capacité de comptage de photons dans des conditions de tests conforment aux normes de qualification aux radiations spatiales. |
Certain applications in space demand detectors capable of resolving individual photons, requiring a combination of ultra-low dark current (DC), deep sub-electron read noise (DSERN), and resilience to the radiation environment of orbit. Recently, a class of CMOS image sensors (CIS) exhibiting single-photon imaging capability were introduced on the commercial market. These so-called quanta image sensor (QIS) achieve the goal of discerning single photons by minimising parasitic capacitances to boost conversion gain and employing noise-reduction techniques. There is an interest to assess the viability of QISs for space missions necessitating single photon imaging, both from the perspective of fulfilling scientific objectives with high fidelity and to provide a first qualification on the impact of radiation on the sensor’ photon-counting ability.
DC is parasitic current indistinguishable from photogenerated current; thus, limiting DC is imperative to improving sensor photon-counting accuracy. The studied QISs possess DCs where less than one parasitic electron is generated per integration time. Thanks to its DSERN, the characterization of QIS DC is made by observing the generation of single dark electrons. Studying the temperature dependence of this generation reveals that the dominant contributors to DC reside in undepleted regions, as marked by their near full band-gap activation energies. Typically, this activation energy is attributed to diffusion occurring in the carrier collection process. However, a new analytical derivation reveals that this temperature signature is rather a result of the presence of carriers at interfaces, not the transport mechanism. Following this, a simulation of a QIS pixel suggests that proper passivation of the defect states at interfaces, notably the transfer gate interface, can further diminish dark electron generation.
Source follower random telegraph signal (SF-RTS) represents another unwanted signal which is difficult to correct due to its random switching behaviour. This poses a hurdle for appropriately assessing true photon-generated signal from a temporarily elevated background. QIS pixels exhibiting large noise values were experimentally observed to possess quantized dark signal histograms rather than the normal distribution attributed to thermal generation processes. Inspired by the discrete histogram from pixels sampled by correlated double sampling, a simulation of was created to investigate the effect of correlated multiple sampling (CMS) on a SF-RTS pixel signal, assuming realistic CMS parameters and switching time constants given the SF bias condition. The simulation produced a post-CMS RTS dark signal which closely resembled experimental observations, lending support to the idea that despite its noise-suppression intention, CMS may worsen the negative impact of RTS pixels. As such, CMS parameters like the number of samples and the period should be carefully chosen to ensure the overall positive benefits in using this scheme in photon-counting CIS.
Both DC and read noise may be exacerbated in the harsh radiation environment of space. Therefore, testing of QISs after irradiation is necessary to understand the viability of these sensors in spaceflight. After the exposure of several QIS to fluences up to 2 × 10¹¹ particles/cm² of displacement damage dose and 30 krad(Si) of total ionizing dose, DC increased linearly with dose, as expected. Changes in the noise, specifically related to the shared column circuitry, were also observed after irradiation with protons and gamma-rays. These indicate that, in addition to bulk damage in the photodiode which risks elevating the DC above permissible levels, there is an increased sensitivity to changes in the read-out transistors which could eventually jeopardize the accuracy of the sensor. Despite this, all tested QISs retained their photon-counting ability within the typical standards of space radiation qualification. |