激光輻照破壞CCD的微觀機(jī)理分析.pdf

1、電荷耦合器件（CCD）是一種半導(dǎo)體成像器件，在體積、功耗和成像質(zhì)量方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，是光學(xué)成像系統(tǒng)和探測(cè)系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、教學(xué)科研和國防軍事等領(lǐng)域。激光具有高方向性、單色性和能量集中等優(yōu)勢(shì)，容易造成材料和器件的可控性損傷。因此，激光輻照破壞CCD的機(jī)理研究對(duì)于成像系統(tǒng)的光電對(duì)抗和光學(xué)傳感器的激光加固設(shè)計(jì)具有重要的意義。當(dāng)前研究激光破壞CCD面臨兩個(gè)主要問題，一是對(duì)CCD的結(jié)構(gòu)和構(gòu)成材料認(rèn)識(shí)不清楚；二是對(duì)CCD

2、損傷之后的形貌和性質(zhì)的觀察測(cè)量不深入。因此導(dǎo)致目前多數(shù)論文對(duì)CCD損傷機(jī)理的分析只能作為一種假設(shè)，并沒有給出確鑿的證據(jù)。針對(duì)這些問題，本文選取一種典型的前照式面陣CCD作為研究對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)解剖和理論分析，對(duì)CCD的構(gòu)造和工作原理有了清晰的把握；利用納秒激光、皮秒激光和飛秒激光分別對(duì)CCD進(jìn)行單脈沖輻照損傷實(shí)驗(yàn)；結(jié)合CCD的構(gòu)造與輻照激光的性質(zhì)，研究分析了CCD發(fā)生點(diǎn)損傷、線損傷和完全損傷時(shí)的損傷機(jī)理。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴

3、對(duì)CCD進(jìn)行逐層解剖，使用原子力顯微鏡（AFM）和掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)CCD的各層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)分析。CCD的結(jié)構(gòu)主要有：微透鏡層、二氧化硅光學(xué)增厚層、遮光鎢、硅電極、二氧化硅絕緣層和硅基底。實(shí)驗(yàn)中精確的控制HF對(duì)CCD二氧化硅光學(xué)增厚層的腐蝕時(shí)間，減小了對(duì)絕緣層的損傷。利用聚焦離子束切割CCD，得到截面絕緣層的厚度。實(shí)驗(yàn)借助AFM和SEM的高分辨率，清晰的展現(xiàn)出CCD的各層結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了對(duì)CCD構(gòu)造的理解。結(jié)合CCD單個(gè)像素的結(jié)構(gòu)，

4、利用半導(dǎo)體理論對(duì)其工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，為后文CCD損傷后輸出圖像的分析打下了基礎(chǔ)。⑵進(jìn)行了納秒激光、皮秒激光和飛秒激光對(duì)CCD的單脈沖輻照損傷實(shí)驗(yàn)。通過激光單脈沖輻照，避免了多脈沖的累積效應(yīng)對(duì)CCD的影響。根據(jù)CCD受損后的輸出圖像判定其三個(gè)損傷階段，并確定各個(gè)損傷階段對(duì)應(yīng)的激光能量密度閾值。其中，納秒激光能量不穩(wěn)定，對(duì)CCD造成損傷的能量閾值和輸出圖像差異較大；而皮秒激光和飛秒激光能量較為穩(wěn)定，所以損傷能量閾值和輸出圖像差異較小。

5、⑶對(duì)三種不同脈寬的激光輻照損傷 CCD的機(jī)理進(jìn)行了研究。根據(jù)微透鏡的聚焦效應(yīng)，模擬出入射激光在CCD硅基底表面形成的能量分布。模擬結(jié)果表明，入射光能量聚焦在硅基底的感光區(qū)內(nèi)，成啞鈴型分布，兩端最大能量放大倍數(shù)約為40倍。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合飛秒激光與物質(zhì)相互作用理論，確定了飛秒激光輻照CCD的最初損傷機(jī)理——電致氧化層擊穿理論；結(jié)合CCD的工作原理和輸出圖像的性質(zhì)，確定讀出門的衰退是造成CCD線損傷的主要原因。針對(duì)單脈沖飛秒激光難以完全損傷

6、CCD這一問題，從單個(gè)像素的構(gòu)成物質(zhì)和激光作用的層面進(jìn)行了解釋，即飛秒激光單脈沖難以穿透硅基底致使電極與基底間短路或穿透二氧化硅光學(xué)增厚層和遮光鎢致使電極間短路。納秒激光和皮秒激光對(duì)CCD的損傷主要為熱效應(yīng)損傷。根據(jù)模擬的激光能量分布，將熱傳導(dǎo)模型中的熱源項(xiàng)定位在硅基底表面的激光輻照區(qū)域，有別于將熱源定位于遮光層的傳統(tǒng)熱傳導(dǎo)模型。對(duì)納秒激光和皮秒激光的單脈沖輻照進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，硅基底內(nèi)部溫度的橫向擴(kuò)散距離大于縱向擴(kuò)散距離，從而