In situ cryogenic characterization of proton damage in thick p-channel skipper CCDs

Technische Samenvatting: In situ cryogene karakterisering van protonbeschadiging in dikke p-kanaal Skipper CCD's

Probleemstelling
Toekomstige ruimtegebaseerde astronomische missies, zoals de Habitable Worlds Observatory (HWO), vereisen detectoren die in staat zijn tot enkelvoudige fotonentelling met extreem lage spuursignaalpercentages om aardse planeten in bewoonbare zones te kunnen afbeelden. Hoewel Skipper Charge-Coupled Devices (CCD's) de noodzakelijke sub-elektron uitleesruis bieden door middel van herhaalde niet-destructieve bemonstering, hangt hun levensvatbaarheid voor diepe ruimtetoepassingen af van hun stralingshardheid. Conventionele n-kanaal CCD's zijn zeer gevoelig voor verplaatsingsschade door ruimtestraling (protonen en zware ionen), wat ladingsvangknooppunten creëert die de Charge Transfer Inefficiency (CTI) verslechteren en de donkerstroom verhogen. Hoewel p-kanaal CCD's bekend staan als stralingsharder dan n-kanaal apparaten vanwege het gebruik van gaten als meerderheidsdragers en lagere bedrijfstemperaturen, werden eerdere tests voor stralingshardheid uitgevoerd bij kamertemperatuur of zonder bias-spanningen. Er was een gebrek aan gegevens over de karakterisering van p-kanaal Skipper CCD's onder realistische diepe-ruimtecondities: cryogene bedrijfstemperaturen (∼140–160 K) en actieve bias-spanningen.

Methodologie
De auteurs voerden twee protonbestralingscampagnes uit (maart 2025 en juli 2025) bij het Northwestern Medicine Proton Center met behulp van een aangepaste draagbare vacuümcryostaat testopstelling. Deze opstelling maakte bestraling en daaropvolgende karakterisering van twee dikke (∼650 µm), volledig uitgeputte p-kanaal Skipper CCD's (CCD #1 en CCD #2) van verschillende leveranciers mogelijk, terwijl deze op hun nominale bedrijfstemperaturen werden gehouden (160 K voor CCD #1, 140 K voor CCD #2) en met toegepaste bias-spanningen.

• Bestralingsparameters: Protonen werden versneld tot 64 MeV (afnemend tot ∼60 MeV bij het sensoroppervlak) om de verplaatsingsschade te simuleren die wordt verwacht bij het L2-Lagrangepunt van de Aarde/Zon. Deze tests leverden cumulatieve fluences op die overeenkomen met ongeveer 10 jaar blootstelling bij L2, uitgaande van 47 mm aluminium-equivalent afscherming. De totale Displacement Damage Dose (DDD) bereikte ∼1.1 × 10⁷ MeV/g.
• Testcondities: In tegen tegenstelling tot eerdere studies werden de sensoren tijdens de bestraling ingeschakeld (met lading-flushing om opbouw te voorkomen) en direct na de bestraling gekarakteriseerd bij cryogene temperaturen om de schade te "bevriezen" en thermisch herstel (annealing) te voorkomen.
• Karakteriseringsmetrieken: De studie beoordeelde:
  • Skipper Versterkerprestaties: Uitleesruis ($\sigma_r$) schaling met het aantal samples ($N_{samp}$) en de stabiliteit van de versterkergain.
  • Charge Transfer Inefficiency (CTI): Gemeten met de Extended Pixel Edge Response (EPER) methode met LED-illuminatie.
  • Donkerstroom: Gemeten via diepe multi-sample donkere frames om de snelheid van enkel-elektron gebeurtenissen te bepalen.
  • Hot Pixels: Identificatie van pixels met excessieve donkerstroom.
  • Output Transistor Curves: Analyse van Total Ionizing Dose (TID) effecten op de floating-gate output stage MOSFET's.

Belangrijkste Resultaten

1. Stralingshardheid van de Skipper Versterkers: De floating-gate output stages vertoonden een uitstekende veerkracht. De uitleesruis ($\sigma_1$) en gain ($g_e$) bleven stabiel over alle fluence-niveaus, zonder meetbare degradatie. De ruis spectrale index bleef nagenoeg ideaal ($\alpha \approx 0.5$), wat bevestigt dat de niet-destructieve bemonstering mogelijk bleef.
2. Charge Transfer Inefficiency (CTI):
   • CCD #2 (Leverancier #2): Deze sensor, die een lage pre-bestraling trap-densiteit had, vertoonde uitzonderlijke prestaties. De post-bestraling CTI bleef extreem laag ($\lesssim 1.5 \times 10^{-6}$) in zowel seriële als parallelle richtingen. Het gebrek aan een significante toename in CTI suggereert dat de vormingssnelheid van stralingsgeïnduceerde vallen (specifiek divacatures, $V_2$) werd onderdrukt, waarschijnlijk door de lage bestralingstemperatuur (140 K) die de mobiliteit van vacatures beperkt.
   • CCD #1 (Leverancier #1): Deze sensor vertoonde een hoge pre-existente CTI toegeschreven aan transitiemetalen-onzuiverheden. Na de bestraling bleef de CTI onveranderd, wat aangeeft dat de protonbombardement de prestaties niet significant verder heeft verslechterd, hoewel de reeds aanwezige defecten het signaal domineerden.
   • Vergelijking: De resultaten voor CCD #2 voldeden aan of overtroffen de verwachte schadecurves voor p-kanaal apparaten die geëxtrapoleerd zijn uit eerdere 55Fe-gebaseerde studies, en presteerden hierm mee aanzienlijk beter dan vergelijkbare n-kanaal apparaten.
3. Donkerstroom en Hot Pixels:
   • Donkerstroom: CCD #2 behield een donkerstroomrate van $\lambda \lesssim 1.5 \times 10^{-4}$ e⁻/pixel/s, wat voldoet aan de basisvereisten voor HWO. De temperatuurafhankelijkheid van de donkerstroom onthulde twee dominante trap-soorten: een ondiepe trap ($\sim 0.14$ eV, consistent met A-centra) en een diepe trap ($\sim 0.56–0.63$ eV). De berekende donkerstroom schadefactor ($K_{dark}$) kwam overeen met de universele siliciumwaarde, wat bevestigt dat de post-bestraling donkerstroom werd gedomineerd door stralingsschade in plaats van fabricagefouten.
   • Hot Pixels: Het fractie van hot pixels die $\ge 1$ e⁻/pixel/min uitzenden bleef $\lesssim 10^{-4}$ na de 10-jaars equivalente dosis, een orde van grootte lager dan eerdere tests van conventionele p-kanaal CCD's.
4. Output Transistors: Transistor curve scans gaven minimale Total Ionizing Dose (TID) effecten aan, waarbij drempelspanningen ($V_t$) met minder dan 10 mV verschoven, wat consistent is met de lage TID ($\ll 1$ krad) die door de protonenstraal werd afgeleverd.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert het te bieden van het eerste sluitende bewijs dat p-kanaal Skipper CCD's hun stralingshardheid behouden in realistische diepe-ruimte thermische en elektrische omgevingen. Door aan te tonen dat deze sensoren een displacement damage dose kunnen weerstaan die gelijk is aan een decennium bij L2 zonder significante degradatie in uitleesruis, CTI of donkerstroom, valideert de studie p-kanaal Skipper CCD's als sterke kandidaten voor toekomstige fotonarme astronomische instrumenten.

De auteurs benadrukken dat de lage bedrijfstemperatuur een cruciale factor is; deze onderdrukt niet alleen de donkerstroom, maar lijkt ook de vorming of mobiliteit van bepaalde stralingsgeïnduceerde defecten (zoals $V_2$) te remmen die anders de CTI zouden verslechteren. Het artikel merkt echter bescheiden op dat hoewel de verplaatsingsschade goed is gekarakteriseerd, de TID-veerkracht van de uitleeselektronica verdere specifieke studie vereist. Bovendien wijzen de auteurs op een potentiële operationele beperking: het "bevriezen" van defecten bij cryogene temperaturen kan leiden tot reverse annealing en permanente degradatie als de sensoren worden onderworpen aan thermische cycli (bijv. tijdens het bakken van ruimtevaartuigen) die deze latente defecten mobiliseren.

Samenvattend stelt dit werk vast dat dikke, p-kanaal Skipper CCD's opmerkelijk veerkrachtig zijn tegen verplaatsingsschade, mits ze worden bediend en onderhouden bij cryogene temperaturen, wat nieuwe wegen opent voor hooggevoelige ruimtegebaseerde astronomie.