EMCCD器件老化性能分析方法及老化工艺验证方法

摘要

本发明涉及一种EMCCD器件老化性能分析方法，包括找出增益退化的影响因素，调节EMCCD器件的倍增电压，使EMCCD器件的倍增倍数为第一初始倍增倍数，开始第一次增益退化测试；如果倍增倍数进入了稳定期则结束第一次增益退化测试，并使EMCCD器件断电预定的时间后进行第二次增益退化测试；将两次增益退化测试的结果进行比较，判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。本发明中，通过选定倍增倍数作为参考参数验证EMCCD器件的衰减情况，可以分析器件的衰减曲线是否符合器件的衰减特性，进而判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化并投入使用，从而可以验证EMCCD器件的老化性能，有助于提高国产EMCCD的可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于EMCCD技术领域，涉及一种EMCCD器件老化性能分析方法及老化工艺验证方法。

背景技术

雪崩增益型CCD(也称EMCCD，Electron Multiplying Charge-Coupled Device)是一种基于半导体中雪崩倍增效应的全新全固态、微弱光信号探测器件。通过在CCD读出寄存器和输出放大器之间引入电荷倍增寄存器，光生电荷信号在到达输出放大器之前得到倍增。通过电荷的倍增，雪崩增益型CCD可以实现与像增强器CCD(ICCD，Intensified Charge-Coupled Device)一样的光子水平微光探测能力。具有高分辨率、高读出速度、低噪声等优点，特别适合于曝光时间在毫秒及以上量级的微光成像领域。

微光成像技术在国防军事、科学研究等多方面有着不可替代的作用。由于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、可靠性高等优势，能适应复杂环境应用，逐渐发展成为新一代的先进微光成像探测器件。在卫星全天时相机对地观察、空间攻防、微光制导、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。

目前，空间用EMCCD芯片的设计与制造均由Teledyne(下属E2V和DALSA)、Onsemiconductor、TI这三家美国公司完全掌握。美国政府对EMCCD技术进行严格的技术封锁和产品出口管制。我国全天时相机对地观察等系统需要采用EMCCD，当前国产化EMCCD的倍增增益老化分析与评价技术仍然是空白，还未形成相关成熟技术来指导其增益老化的试验及测试，因此急需针对国产化EMCCD开展倍增增益老化分析评价技术，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。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种EMCCD器件老化性能分析方法及老化工艺验证方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种EMCCD器件老化性能分析方法，包括以下步骤：

S101、找出增益退化的影响因素；所述影响因素包括温度、倍增电压和倍增数；

S102、确定增益退化测试的测试环境温度，并确定第一初始倍增倍数作为增益退化测试开始时的倍增倍数；

S103、将增益退化测试的环境温度调节为确定的测试环境温度，并调节EMCCD器件的倍增电压，使EMCCD器件的倍增倍数为第一初始倍增倍数，保持倍增电压不变，开始第一次增益退化测试；

S104、判断倍增倍数在第一次增益退化测试过程中是否进入了稳定期，如果进入了稳定期则执行S105步骤；

S105、结束第一次增益退化测试，并使EMCCD器件断电预定的时间后进行第二次增益退化测试；

S106、将第二次增益退化测试的结果与第一次增益退化测试的结果进行比较，根据比较结果判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。

进一步的，第一次增益退化测试时确定的第一初始倍增倍数为EMCCD器件的低倍率。

进一步的，第二次增益退化测试前的断电时间为2～3小时。

进一步的，在第一次增益退化测试时还计算将EMCCD器件的倍增倍数调节为初始倍增倍数时的DN值，并在第二次增益退化测试前调节EMCCD器件的倍增电压，使DN值等于第一次增益退化测试时的DN值。

进一步的，所述S106步骤具体包括：

S1061、判断倍增倍数在第二次增益退化测试过程中是否进入了稳定期，如果进入了稳定期，则执行S1062步骤；

S1062、进一步判断其进入稳定期的时间是否与第一次增益退化测试进入稳定期的时间一致，如果一致则判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。

进一步的，第一次增益退化测试时确定的第一初始倍增倍数接近EMCCD器件的极限倍增倍数；第二次增益退化测试前的断电时间为22～26小时。

进一步的，在所述S105步骤中，第二次增益退化测试时，保持EMCCD器件的倍增电压与第一次增益退化测试相同；

所述S106步骤具体包括：

S1061’、比较该EMCCD器件第二次增益退化测试开始时的倍增倍数与第一次增益退化测试结束时的倍增倍数是否相同，如果相同则执行S1062’步骤；

S1062’、检测该EMCCD器件倍增倍数在测试开始后是否保持稳定，如果保持稳定则判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。

进一步的，判断倍增倍数是否进入了稳定期的方法为：

记录测试时间、倍增电压、倍增倍数之间的关系，并绘制倍增倍数的衰减曲线，如果从某一时刻开始，预定间隔的两个时刻对应的倍增倍数的变化幅度小于预定的幅度阈值，则判断倍增倍数是否进入了稳定期。

一种EMCCD器件老化工艺验证方法，包括以下步骤：

S201、取一EMCCD器件，根据EMCCD器件老化性能分析方法判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化，如果判断结果为能够进行快速老化则执行S202步骤；

S202、确定老化工艺验证测试的测试环境温度，并确定第二初始倍增倍数作为老化工艺验证测试开始时的倍增倍数；

S203、取另一EMCCD器件，将老化工艺验证测试的环境温度调节为确定的测试环境温度，并调节EMCCD器件的倍增电压，使EMCCD器件的倍增倍数为第二初始倍增倍数；

S204、在老化工艺验证测试过程中对倍增电压进行调节，使倍增倍数保持稳定；

S205、倍增倍数的稳定度小于或等于预设的稳定度阈值后，结束老化工艺验证测试。

进一步的，所述S204步骤的具体方法为：在老化工艺验证测试过程中，预先确定一个调节周期的时长，在每一个调节周期结束时对倍增电压进行一次调节，使调节后的倍增倍数大于或等于第二初始倍增倍数；

所述S205步骤的具体方法为：以每一个调节周期为一个测量的时间段，计算该时间段倍增倍数的稳定度，计算公式为：

(S

其中，S

本发明中，通过选定倍增倍数作为参考参数验证EMCCD器件的衰减情况，可以分析器件的衰减曲线是否符合器件的衰减特性，进而判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化并投入使用，从而可以验证EMCCD器件的老化性能，有助于提高国产EMCCD的可靠性。另外，本发明还结合高倍增倍数加速老化和通过施加额外电压使增益持续稳定在一定倍数范围内的方法，使器件能够快速达到增益相对稳定期，快速满足使用需求，此方法契合器件特性和使用环境的方法，可作为器件老化工艺的参照方法。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明EMCCD器件老化性能分析方法的一个优选实施例的流程图；

图2为实施例1中第一次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线；

图3为实施例1中第二次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线；

图4为实施例2中第一次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线；

图5为实施例2中第二次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线；

图6为本发明EMCCD器件老化工艺验证测试方法的一个优选实施例的流程图；

图7为实施例3中老化工艺验证测试绘制的倍增倍数的衰减曲线和倍增电压的调节曲线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本发明EMCCD器件老化性能分析方法的一个优选实施例包括以下步骤：

S101、找出增益退化的影响因素，搭建相应的增益退化测试平台。

EMCCD器件的增益退化分两种：一种为时间小于等于1000小时的短期老化导致的增益退化，一种为时间大于1000小时的长期老化导致的增益退化。由于长期老化受各项因素的影响很小，因此只对短期老化进行分析。短期老化公式为：

其中，ΔV

根据短期老化公式，找出对短期老化影响较大的影响因素包括温度、倍增电压和倍增数。测试需在温度和光源稳定的状态下进行，光敏区接受光照的比例尽可能低(刚好有光电流输出就可以)，温度在测试过程中保持不变。具体实施时用温控稳定温度，调节光源。

S102、确定增益退化测试的测试环境温度，并确定第一初始倍增倍数作为增益退化测试开始时的倍增倍数。本实施例中根据EMCCD器件正常工作时的环境温度要求确定测试的环境温度，使测试的环境温度接近EMCCD器件正常工作时要求的最低环境温度；由于本实施例中采用的EMCCD器件正常工作时要求的最低环境温度为-20℃，因此，本实施例中将测试环境温度确定为-20℃。

为贴近EMCCD器件的实际工作情况，本实施例中以EMCCD器件的低倍率作为第一次增益退化测试时确定的第一初始倍增倍数。例如，对于最高增益倍数为1000倍的EMCCD器件，可选择100倍～300倍的倍增倍数作为第一初始倍增倍数，本实施例中第一初始倍增倍数优选为200倍。

S103、将增益退化测试的环境温度调节为-20℃并保持不变，调节EMCCD器件的倍增电压，使EMCCD器件的倍增倍数为200倍，之后保持倍增电压不变，开始第一次增益退化测试，并记录第一次增益退化测试过程中倍增倍数的变化值。如表1所示，为本实施例中第一次增益退化测试的测试条件。

表1：增益老化测试条件

S104、判断倍增倍数在第一次增益退化测试过程中是否进入了稳定期，如果进入了稳定期则执行S105步骤；否则，说明该EMCCD器件可能存在设计缺陷或生产工艺存在缺陷，停止测试。可采用以下方法判断倍增倍数是否进入了稳定期：

记录测试时间、倍增电压、倍增倍数之间的关系，并绘制倍增倍数的衰减曲线，如果从某一时刻开始，预定间隔的两个时刻对应的倍增倍数的变化幅度小于预定的幅度阈值，则判断倍增倍数是否进入了稳定期。例如，预定间隔可以设置为24小时，对应的，可将幅度阈值设置为5％，假设在T1时刻，倍增倍数为100，在T2时刻(T2＝T1+24h)，倍增倍数为96，则T1时刻到T2时刻的倍增倍数的变化幅度＝(100-96)/100*100％＝4％；由于T1时刻到T2时刻倍增倍数的变化幅度＜5％，如果在T1时刻之后，间隔为24小时的两个时刻的倍增倍数的变化幅度均小于5％，则可以认为从T1时刻开始，器件进入了稳定期。

如图2所示，为本实施例第一次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线，从图2中可以看出，测试期间的前8小时倍增倍数衰减的速度较快，在测试100小时后进入稳定状态，倍增倍数稳定在40倍左右。

S105、结束第一次增益退化测试，并使EMCCD器件断电预定的时间后进行第二次增益退化测试。可以预先确定第一次增益退化测试的时间，待时间达到后结束第一次增益退化测试，本实施例中，第一次增益退化测试的时间优选为10天。当然，也可根据测试情况在确定器件进入了稳定期后提前结束第一次增益退化测试。

为了使器件恢复性能，在结束第一次增益退化测试后需要使EMCCD器件断电，由于第一次增益退化测试时的倍增倍数较低，本实施例中在第一次增益退化测试结束后的器件断电时间一般为2～3小时，优选为2小时。之后，即可开始第二次增益退化测试。第二次增益退化测试的环境温度与第一次增益退化测试相同，第二次增益退化测试开始时的倍增倍数通过以下方法确定：

在第一次增益退化测试时还计算将EMCCD器件的倍增倍数调节为初始倍增倍数时的DN值，并在第二次增益退化测试前调节EMCCD器件的倍增电压，使DN值等于第一次增益退化测试时的DN值。DN值指物体成像后的灰度值，用于表示物体成像后的像素光谱；本实施例中，在不倍增情况下信号区DN值与过扫区DN值的差值为200，则要达到200倍的倍增，需要调节倍增电压使倍增区信号DN值与过扫区DN值之差达到40000，本实施例中，调节EMCCD器件的倍增倍数至200时，倍增区信号DN值为44000。因此，在第二增益退化测试开始时，调节倍增电压使倍增区信号DN值为44000，此时，倍增倍数为520倍。即第二增益退化测试开始时的倍增倍数为520倍。

S106、将第二次增益退化测试的结果与第一次增益退化测试的结果进行比较，根据比较结果判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。具体判断方法如下：

S1061、判断倍增倍数在第二次增益退化测试过程中是否进入了稳定期，如果进入了稳定期，则执行S1062步骤。否则，停止测试。

S1062、判断其进入稳定期的时间是否与第一次增益退化测试进入稳定期的时间一致，如果一致则判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。否则，停止测试。当然，为了判断器件的老化效果，还会比较第二次增益退化测试器件的稳定性是否比第一次增益退化测试明显提升，如果第二次增益退化测试器件的稳定性明显提升则说明老化是有效的。

如图3所示，为本实施例第二次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线，从图3中可以看出，测试期间的前3小时倍增倍数稳定在500倍以上，之后衰减速度开始变快，在100小时后进入稳定状态(判断是否进入稳定状态的方法与第一次增益退化测试相同)，倍增倍数稳定在260倍左右。比较第二次增益退化测试的结果与第一次增益退化测试的结果，发现第二次增益退化测试时，在测试初期器件即有一个3小时的稳定期，在3小时后虽然开始衰减，但衰减的幅度明显小于第一次增益退化测试，且器件都在100小时后进入稳定状态，由此可以看出经过第一次增益退化测试的老化之后，器件的稳定性明显得到了提升，因此判断该EMCCD器件能够进行快速老化。

本实施例中，通过选定倍增倍数作为参考参数验证EMCCD器件的衰减情况，可以分析倍增倍数的衰减曲线是否符合器件的衰减特性，进而判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化并投入使用。通过本实施例的方法，可以验证EMCCD器件的老化性能，从而有助于提高国产EMCCD的可靠性及技术成熟度。

实施例2

本发明EMCCD器件老化性能分析方法的另一优选实施例包括以下步骤：

S101’、找出增益退化的影响因素，搭建相应的增益退化测试平台；所述影响因素包括温度、倍增电压和倍增数。

S102’、确定增益退化测试的测试环境温度，并确定第一初始倍增倍数作为增益退化测试开始时的倍增倍数。测试的环境温度接近EMCCD器件正常工作时要求的最低环境温度；由于本实施例中采用的EMCCD器件正常工作时要求的最低环境温度为-20℃，因此，本实施例中将测试环境温度确定为-20℃。选择的第一初始倍增倍数接近EMCCD器件的极限倍增倍数，以加快器件老化速度。例如，对于最高增益倍数为1000倍的EMCCD器件，可选择850倍～950倍的倍增倍数作为第一初始倍增倍数，本实施例中第一初始倍增倍数优选为900倍。

S103’、将增益退化测试的环境温度调节为-20℃并保持不变，调节EMCCD器件的倍增电压，使EMCCD器件的倍增倍数为900倍，之后保持倍增电压不变，开始第一次增益退化测试，并记录第一次增益退化测试过程中倍增倍数的变化值。如表2所示，为本实施例中第一次增益退化测试的测试条件。

表2：增益老化测试条件

S104’、判断倍增倍数在第一次增益退化测试过程中是否进入了稳定期，如果进入了稳定期则执行S105步骤；否则，说明该EMCCD器件可能存在设计缺陷或生产工艺存在缺陷，停止测试。判断倍增倍数是否进入了稳定期的方法与实施例1相同。

如图4所示，为本实施例第一次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线，从图4中可以看出，测试期间的前8小时倍增倍数衰减的速度较快，在测试100小时后进入稳定状态，倍增倍数稳定在200倍左右。

S105’、结束第一次增益退化测试，并使EMCCD器件断电预定的时间后进行第二次增益退化测试。可以预先确定第一次增益退化测试的时间，待时间达到后结束第一次增益退化测试，本实施例中，第一次增益退化测试的时间优选为10天。当然，也可根据测试情况在确定器件进入了稳定期后提前结束第一次增益退化测试。

第二次增益退化测试前的断电时间为22～26小时。

为了使器件恢复性能，在结束第一次增益退化测试后需要使EMCCD器件断电，由于本实施例采用了较高的倍增倍数，第二次增益退化测试前的断电时间一般需要22～26小时，本实施例中优选为24小时。之后，即可开始第二次增益退化测试。第二次增益退化测试的环境温度与第一次增益退化测试相同，且倍增电压也与第一次增益退化测试相同。

S106’、将第二次增益退化测试的结果与第一次增益退化测试的结果进行比较，根据比较结果判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。具体判断方法如下：

S1061’、比较该EMCCD器件第二次增益退化测试开始时的倍增倍数与第一次增益退化测试结束时的倍增倍数是否相同，如果相同则执行S1062’步骤。否则，停止测试。

S1062’、检测该EMCCD器件倍增倍数在测试开始后是否保持稳定，如果保持稳定则判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化。否则，停止测试。

如图5所示，为本实施例第二次增益退化测试绘制的倍增倍数的衰减曲线，从图5中可以看出，第二次增益退化测试开始时的倍增倍数约为200倍，与第一次倍增老化结束时基本一致，且测试期间的前30小时倍增倍数一直稳定在200倍左右。说明经过第一次增益退化测试时高倍增倍数的老化，器件性能的稳定性大大提升，由此可以判断该EMCCD器件能够进行快速老化。而且，第二次增益退化测试开始后的稳定时间从实施例1中的3小时提高到了30小时，说明高倍增倍数可以加速器件的老化过程。

本实施例中，通过加速老化可使器件在投入使用时更加稳定。高倍数老化初期，衰减曲线幅度很大，但初次稳定后，第二次老化时可稳定时间(有效工作时间)大幅增加，说明器件经过加速老化后，可提高器件的稳定期。

实施例3

如图6所示，本发明EMCCD器件老化工艺验证方法的一个优选实施例包括以下步骤：

S201、取一未经老化的EMCCD器件，根据上述实施例中的任意一种EMCCD器件老化性能分析方法判断该EMCCD器件是否能够进行快速老化，如果判断结果为能够进行快速老化则执行S202步骤。

S202、确定老化工艺验证测试的测试环境温度，并确定第二初始倍增倍数作为老化工艺验证测试开始时的倍增倍数。确定老化工艺验证测试的测试环境温度的方法与确定增益退化测试的测试环境温度的方法相同，本实施例中为-20℃。由于要对器件进行快速老化，因此以EMCCD器件的高倍率作为老化工艺验证测试时确定的第二初始倍增倍数。例如，对于最高增益倍数为1000倍的EMCCD器件，可选择700倍～900倍的倍增倍数作为第二初始倍增倍数，本实施例中第二初始倍增倍数优选为800倍。

S203、取另一未经老化的EMCCD器件，将老化工艺验证测试的环境温度调节为-20℃，并调节EMCCD器件的倍增电压，使EMCCD器件的倍增倍数为800倍。如表3所示，为本实施例中老化工艺验证测试的测试条件。

表3：老化工艺验证测试条件

S204、在老化工艺验证测试过程中对倍增电压进行调节，使倍增倍数保持稳定。以采用以下方法使倍增倍数保持稳定：

在老化工艺验证测试过程中，预先确定一个调节周期的时长(例如24h)，在每一个调节周期结束时对倍增电压进行一次调节，使调节后的倍增倍数大于或等于第二初始倍增倍数。当然，也可以预先确定倍增倍数的上限值和下限值，其中，倍增倍数的上限值高于或等于第二初始倍增倍数，本实施例中优选为倍增倍数的上限值等于第二初始倍增倍数；倍增倍数的下限值低于第二初始倍增倍数；在测试过程中实时对EMCCD器件的倍增倍数进行监测，当EMCCD器件的倍增倍数小于或等于倍增倍数的下限值时，调节倍增电压使EMCCD器件的倍增倍数升高，直到EMCCD器件的倍增倍数等于或略高于第二初始倍增倍数，停止对倍增电压的调节。

S205、在倍增倍数的稳定度小于或等于预设的稳定度阈值后，说明器件的性能已经趋于稳定，结束老化工艺验证测试。如果倍增倍数的稳定度始终大于预设的稳定度阈值，例如，在老化工艺验证测试10天之后，倍增倍数的稳定度仍然未能小于或等于预设的稳定度阈值，则说明该器件没有进入相对稳定期，因而不能采用上述方法进行老化。本实施例中，稳定度阈值设置为6％，当S204步骤中预先确定了一个调节周期的时长时，具体方法为：以每一个调节周期为一个测量的时间段，计算该时间段倍增倍数的稳定度，计算公式为：

(S

其中，S

当S204步骤中确定了倍增倍数的上限值和下限值时，如果调节倍增电压24h后器件的倍增倍数仍大于倍增倍数的下限值，则在该次调节倍增电压后至下一次调节倍增电压前的测量区间内选择持续时间为24h的一个时间段，计算该时间段倍增倍数的稳定度进行判断。

如图7所示，由于该只器件从未进行过老化测试，在前3天的每24小时老化循环周期里倍增倍数衰减很快，大约100小时后趋于稳定，在200小时后，在一个测量时间段内，倍增稳定度能达到5.35％。从而说明该器件可以通过上述的老化方法使其性能快速趋于稳定。

本实施例结合加速老化(高倍增倍数)和模拟器件的使用场景(通过施加额外电压，使增益持续稳定在一定倍数范围内)，使器件能够快速达到增益相对稳定期，快速满足使用需求，此方法为最契合器件特性和使用环境的方法，可做为器件老化工艺的参照方法。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。