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導讀

高能激光是對抗光電成像系統的有效手段。隨著(zhù)互補金屬氧化物半導體 (CMOS) 圖像傳感器性能和制作工藝的快速發(fā)展，其市場(chǎng)占有率已逐步趕超電荷耦合器件 (CCD)，成為當前主流的圖像傳感器。CMOS 圖像傳感器的激光干擾和損傷也隨之成為國內外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文中首先根據 CMOS 圖像傳感器的發(fā)展歷程，對其結構和工作原理進(jìn)行了介紹，并在此基礎上簡(jiǎn)要分析了 CMOS 圖像傳感器在激光輻照過(guò)程中的薄弱環(huán)節，之后綜述了 CMOS 在激光輻照下受到干擾及損傷現象的研究進(jìn)展，并對干擾的評價(jià)方法和損傷閾值的主要測量方法進(jìn)行了總結歸納，最后探討了利用復合激光系統提升損傷 CMOS 圖像傳感器能力的發(fā)展現狀和前景。

研究背景
 
CMOS圖像傳感器是當前最主流的固態(tài)圖像傳感器。具有功耗低、集成度高、成像速度快等特點(diǎn)。最近十幾年間不斷在性能上取得突破性發(fā)展，在市場(chǎng)占有率和產(chǎn)品迭代速度上都已超越了CCD圖像探測器。從損傷閾值的測量結果來(lái)看，CMOS 比 CCD 的抗干擾損傷能力更強 ，這是因為CMOS 的像元具有單獨的放大和復位單元，并具有獨立的行選通電路，因此像元之間更加獨立，更難發(fā)生串擾；同時(shí)新型的 CMOS 更多采用背照式和堆棧式結構，芯片中電路層較傳統圖像傳感器位置更深，利用激光損傷電路結構進(jìn)而完全損傷圖像傳感器的難度也更大。隨著(zhù)背照式和堆棧式等新型CMOS芯片的廣泛應用，如何提高激光對背照式CMOS的干擾和損傷效率是下一步研究中亟待解決的問(wèn)題。

圖1 前照式與背照式CMOS像素結構對比（a）前照式結構（b）背照式結構

主要內容

通過(guò)CMOS圖像傳感器的結構和功能介紹，本文分析了CMOS圖像傳感器在激光輻照中的薄弱環(huán)節：相關(guān)雙采樣的輸出方式可以消除復位噪聲的干擾，對低頻噪聲也有抑制作用，可以顯著(zhù)改善信噪比，提高信號檢測精度。但是，該電路采用兩個(gè)信號差值的方式輸出，同時(shí)干擾兩個(gè)信號就可以造成像元過(guò)飽和；由于一列像元的參考信號使用同一根列線(xiàn)傳輸，為大面積串擾提供了可能性。

圖2 CMOS像元的相關(guān)雙采樣工作過(guò)程

常見(jiàn)的CMOS圖像傳感器激光損傷包括點(diǎn)損傷、線(xiàn)損傷、十字交叉損傷和完全失效損傷等。結合CMOS圖像傳感器的結構、損傷形貌及其失效原因研究分析可知：不同階段的損傷與激光作用的深度有關(guān)，其中點(diǎn)損傷主要是由于微透鏡和濾光片受損，伴隨著(zhù)部分金屬遮光層剝落融化，部分單元像素失效造成的；出現線(xiàn)損傷主要是由于局部電路短路或斷路導致信號傳輸中斷；CMOS出現十字交叉損傷并造成大面積失效，則需要激光能量深入CMOS芯片內部，造成晶體硅融化，二氧化硅由于熱應力作用發(fā)生變形和斷裂，金屬線(xiàn)路嚴重損壞。

由此可以判斷，造成CMOS圖像傳感器大面積損傷的關(guān)鍵是造成內部電路層的嚴重損傷。

如下表所示，本文總結了干擾和損傷閾值的測量結果，并對重要的研究成果進(jìn)行了綜述和分析。

研究前景與展望

由于背照式CMOS的電路層位置更深，上方有一層較厚的硅基材料，形成了一定的固有的保護層，抗損傷能力得到了加強。隨著(zhù)背照式和堆棧式等新型CMOS 芯片的廣泛應用，如何提高激光對背照式 CMOS的損傷效率問(wèn)題值得關(guān)注。

要想提升CMOS器件的激光損傷效率，必須有效提高激光的熱效應在CMOS上的累積。因此，有研究者將復合激光應用在CMOS圖像傳感器的損傷研究中。復合激光對單質(zhì)靶材的燒蝕和損傷已有較為成熟的研究，如果激光參數配合得當，可以有效提升靶材對激光能量的吸收率，若要進(jìn)一步提升激光損傷效率，可以考慮將三個(gè)或三個(gè)以上的脈沖組合成脈沖串的作用形式，其中每個(gè)脈沖的參數和任意兩個(gè)激光脈沖之間的延遲時(shí)間都應獨立可調。如果脈沖串激光組合方式合理，將有可能提高后續激光對前面若干層的透過(guò)率和透過(guò)深度，對后續電路層造成有效損傷，進(jìn)而提升損傷效率。脈沖串激光損傷CMOS仍有以下三個(gè)方面的工作需要展開(kāi)：首先，脈沖激光是對CMOS干擾和損傷大的機理，還須開(kāi)展深入完善的理論研究；其次，當前復合激光參數影響干擾損傷的可參考數據較少，不足以支撐脈沖串激光的實(shí)施策略的建立；最后，需要搭建脈沖串實(shí)驗系統開(kāi)展脈沖串激光對CMOS圖像傳感器的實(shí)驗研究，探索器件結構損傷與脈沖串參數之間的映射關(guān)系。

作者簡(jiǎn)介

通訊作者：
卞進(jìn)田，國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室副研究員，碩士生導師。一直從事固體激光、非線(xiàn)性激光頻率變換、激光與物質(zhì)相互作用方面的技術(shù)研究，致力于新體制激光技術(shù)及應用研究。主持或參與各類(lèi)科研項目20余項，發(fā)表論文60余篇。

李欣，國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室副研究員，碩士生導師，入選國防科技大學(xué)高層次創(chuàng )新人才計劃。長(cháng)期從事新體制激光與物質(zhì)相互作用方面的研究，中國微米納米技術(shù)學(xué)會(huì )、中國光學(xué)工程學(xué)會(huì )高級會(huì )員，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》青年編委，主持國家級、省部級科研項目，以第一作者或通訊作者在Nanoscale、Advanced materials technologies、中國激光等國內外高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文20余篇，其中ESI高被引論文2篇，授權國家發(fā)明專(zhuān)利4項。

第一作者：
溫佳起，國防科技大學(xué)理學(xué)院物理學(xué)碩士研究生，主要從事激光與物質(zhì)相互作用方面的研究。