In this paper, an analytic method of radiation effect of Readout Integrated Circuit (ROIC) for Infrared Focal Plane Arrays (IR FPAs) image sensor for space applications is presented. The electronic devices in satellites can be affected by the charged particles which have protons, electrons, α particles, heavy ions, and neutral particles in space. This radiation effect results to generate voltage difference, current leakage, and severely functional failure.
The proposed method focuses on the analysis of the single event effect (SEE), one of the radiation effects. The analytic method of SEE consists of device simulation, modeling the single event effect in circuit-level, circuit simulation, and irradiation test processes. The transient analysis was performed to simulate charge collection in the device due to the SEE. The collected charges in electric field formed the drift current that can be thought the impulse current. By using this simulation result, the SEE model for circuit-level simulation was built and adapted to the circuit simulation. In order to analyze the radiation effect of ROIC, design of the appropriate readout circuit is required. The simple readout circuit, the direct injected (DI) type ROIC, was designed for convenience to analyze the radiation effect. The sensitive areas of DI type ROIC were the drain regions of MOSFETs. From the circuit simulation with the SEE model, the effect due to single event effect can be measured through the output voltage change. The output voltage change varies with the type of MOSFET at which the SEE model was attached.
The designed readout circuit was fabricated with a 0.18-μm CMOS process. With a 45MeV cyclotron accelerator in Korea Institute of Radiological & Medical Sciences (KIRAMS), proton irradiation test was carried out for the designed ROIC. The used proton energies are 25, 30, and 37MeV. The effect due to irradiation test can be measured by the output voltage change. The median voltage of the output voltage histogram acquired in 37MeV proton beam test was lower than that in normal condition by -2.8483mV. The voltage shifts were -0.2747mV and -1.709mV in case of 25MeV and 30MeV, respectively. The output voltage change can be thought the effect due to the SEE. The results from both simulation and irradiation test show that the SEE actually exists for the readout circuit.
적외선 영상 센서는 인공위성에 중요한 부품으로 날씨 예측, 우주 및 지구과학 연구 등 다양한 역할을 수행한다. 우주 방사선 환경은 인공위성의 차폐막을 통과하여 적외선 영상 센서 및 취득회로에 영향을 미치게 된다. 이는 크게 Total Ionizing Dose(TID) 와 Single Event Ef-fect(SEE)로 나타나게 되는데 적외선 영상 센서 취득회로의 Analog 부분에서는 SEE 중 하나인 Single Event Transient (SET)로 분류할 수 있다. 우선 인공위성의 우주방사선 환경에 대해서 AP8 모델을 통해 방사선 벨트의 양성자의 분포를 시뮬레이션 하였다.
적외선 영상 센서 취득회로의 우주 방사선 영향을 분석하기 위해 EHP 전송 모델을 통해 소자레벨 시뮬레이션을 하고 이 결과를 토대로 회로레벨의 모델링을 하였다. 회로 레벨 모델을 통해 설계한 회로의 SET분석을 하면 시간적 효율이 증가하게 되지만 그만큼 분석의 정확도는 떨어지게 된다. 회로 시뮬레이션을 통하여 방사선에 의하여 나타나게 되는 결과를 분석하고 영향력이 가장 크게 될 부분에 대한 취약점 분석을 하였다. 이 결과 회로의 동작 중 Hold동작에서는 적분용 캐패시터에 연결되어 있는 MOSFET에 입사되는 방사선의 영향이 가장 큰 것으로 나타났으며, Integration 동작에서는 IR detector의 바이어스 전압을 가해주는 MOSFET에 입사되는 방사선의 영향이 가장 큰 것으로 나타났다.
방사선 조사 실험 분석을 위하여 0.18-μm 공정을 통해 칩을 제작하였으며 기본 측정을 통해 취득회로의 성능을 측정하였다. 또한 원자력 의학원에 있는 45MeV 양성자 가속기를 통하여 방사선 조사 실험을 하고 측정하였다. 이용한 양성자 빔 에너지는 37MeV, 30MeV와 25MeV로 원자력 연구원에서 이전부터 사용하던 조사 조건을 토대로 실험을 하였다.
이 결과 취득회로의 출력 전압이 방사선 조사 전과 방사선 조사시의 값이 달라졌고, 이를 통계적인 수치와 중간값을 토대로 분석하였다. 이 크기는 양성자 빔 에너지에 따라 달라졌으며 37MeV에서 -2.85mV, 30MeV에서 -1.71mV, 그리고 25MeV에서 -0.27mV의 출력전압 변화가 나타났다. 이런 경향은 표준편차를 이용한 방법을 통해서도 동일하게 나타났으며 이런 출력전압의 분포를 이용하여 적분용 캐패시터에 변화를 주는 전하량을 계산해 보았다. 이 전하량은 최신 공정의 SRAM의 Upset을 일으킬 정도의 양으로 볼 수 있다.
이로써 간단한 구조의 적외선 취득회로를 통하여 방사선 영향을 보고 이를 시뮬레이션 결과와 비교하여 분석하였다.
