长脉冲激光对组成CCD图像传感器的MOS光敏单元的硬破坏机理研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．60，No．11(2011)114210长脉冲激光对组成CCD图像传感器的MOS光敏单元的硬破坏机理研究术毕娟张喜和倪晓武1)(长春理工大学理学院，长春130022)2)(南京理工大学理学院，南京210094)(2011年4月7日收到；2011年5月10日收到修改稿)以帧转移型面阵CCD图像传感器为例，采用有限元法研究了波长1．06Izm，脉宽ms量级长脉冲Nd：YAG激光与组成CCD传感器的MOS光敏单元的作用过程及硬破坏机理．建立了长脉冲激光辐照MOS光敏单元的热力耦合模型，模拟了MOS光敏单元的温度分布和应力

2、分布．研究结果表明：在长脉冲激光作用下，由于S层表面径向压应力超过其抗压强度引起MOS光敏单元出现了OS层间分裂，进而受径向、环向和轴向压应力的共同作用下，在光敏单元还未熔融时，层间分裂就扩大至光敏单元的整个OS层间．OS层间完全分裂会使光敏单元发生硬破坏，并造成CCD传感器中激光照射区的单个或一列光敏单元的功能完全失效．文章的研究结果可为CCD图像传感器的激光损伤及防护提供必要的理论依据．关键词：长脉冲激光，CCD图像传感器，硬破坏机理，层间分裂PACS：42．62．一b，85．60．Gz研究鲜有报道．而长脉冲激光由于具有峰值能量1．引言密度高于连续波激

3、光，同时能避免短脉冲或超短脉冲激光辐照时产生的等离子屏蔽现象以及热CCD图像传感器因具有尺寸小、重量轻、功耗耦合效率较高等优点近年来在很多领域兴起，并低、灵敏度高等优点，广泛应用于民用和军用领域陆续开展了一些材料如铝合金、光学薄膜、砷化中作为可见和近红外激光辐射的探{贝0器．但CCD传镓的激光损伤研究．当长脉冲激光照射CCD感器在与激光光源配合使用时，很容易受到激光的传感器时，热效应将提高CCD传感器的破坏破坏以致不能正常工作．因此，开展激光对CCD的效率．破坏机理研究对丰富激光损伤机理数据库及改善鉴于光敏单元是CCD传感器的重要组成部CCD的抗激光加固措

4、施具有很重要的理论和实际分，若光敏单元受到长脉冲激光直接照射而引起意义．不同程度的破坏，则对整个CCD传感器来说，也近年来，国内外许多学者对激光辐照CCD传将受到不同程度的影响．因此，本文以帧转移型感器的破坏效应进行了大量研究，包括器件光学面阵CCD图像传感器为例，针对长脉冲激光与组性能退化¨和电学性能退化的软破坏，以及成CCD传感器的MOS光敏单元的作用过程及损激光束直接作用于CCD传感器引起器件中材料伤进行理论和数值模拟研究．文中首先建立长脉和结构的硬破坏’等研究．需要说明的是，上述冲激光辐照MOS光敏单元的物理模型，然后模工作主要针对不同波长的连续波

5、、短脉冲或超短拟光敏单元的温度和应力分布，最后根据计算结脉冲激光对CCD传感器的辐照效应，但脉宽为果分析其硬破坏机理．ms量级的长脉冲激光对CCD传感器的辐照效应女国防基础科学研究计划(批准号：A3620060122)资助的课题．十通讯联系人．E-mail：zxh—cust@yahoo．com．ca(~2011中国物理学会ChinesePhysicalSocietyJl却：llwulixb．it,hy．ac．cn11421O一1物理学报ActaPhys．Sin．Voi．60，No．11(2011)114210光敏单元的材料吸收激光能量引起温度升高进而2．理

6、论和数值方法产生热应力，并可能引起光敏单元发生热力效应损伤．因此，有必要针对光敏单元进行热力效应模拟．2．1．帧转移型面阵CCD图像传感器、MOS光敏单2．2．热力耦合模型元的结构及工作原理当光强为高斯分布的长脉冲激光照射到光敏帧转移型面阵CCD图像传感器结构如图1所区，CCD传感器上一定范围内的光敏单元被覆盖示，包括光敏区、存储区、水平移位寄存器和输出放时，由于光敏单元的尺寸很小(为m量级)，可认大器4个主要组成部分．光敏区为CCD传感器的光为该范围内的每个光敏单元都被激光均匀照射．因厂一y，．●敏单元阵列，其中每个光敏单元就是一个MOS电容此，本文对单

7、个光敏单元的实际构造进行必要的抽器，该MOS电容器是由金属(M)．氧化物(SiO，)．半象和合理的简化，最终建立均匀光束辐照MOS层状敏储存区区器导体(S)基底组成，如图2所示，其金属栅极常为结构的二维轴对称模型，如图3所示．A1，SiO：层镀在P型单晶si衬底上．光敏单元在光黼一黼照时间内进行光电转换，各单元随光照强度不同积均匀光束累电荷．在积分期间，光敏区捕获一幅图像，即感光阵列接收外界光源照射产生电荷，光敏区和存储区之间不会发生电荷转移．积分后把这些光生电荷快速转移到存储区，存储区和光敏区在结构上完全相同，但是存储区被一层金属铝屏蔽，不会曝光．存储区

8、的电荷通过水平寄存器逐行读出，并最终通过放大器将电荷转换为电压输出