2023年，國(guó)防科技大學(xué)迎來(lái)了辦學(xué)70周年。為推動(dòng)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，全面展現(xiàn)國(guó)防科技大學(xué)光學(xué)工程學(xué)科建設(shè)發(fā)展的重要成果，中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)會(huì)刊《紅外與激光工程》在芙蓉迎夏的6月與國(guó)防科技大學(xué)聯(lián)合出版“國(guó)防科技大學(xué)?光學(xué)工程學(xué)科專刊”，并特邀國(guó)防科技大學(xué)對(duì)抗學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)為專刊撰寫(xiě)“激光干擾和損傷CMOS圖像傳感器研究進(jìn)展（特邀）” 綜述文章，對(duì)干擾的評(píng)價(jià)方法和損傷閾值的主要測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié)歸納，探討了利用復(fù)合激光系統(tǒng)提升損傷CMOS圖像傳感器能力的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。

撰稿人：溫佳起，卞進(jìn)田，李欣

論文題目：激光干擾和損傷CMOS圖像傳感器研究進(jìn)展（特邀）

作者：溫佳起，卞進(jìn)田，李欣，孔輝，郭磊，呂國(guó)瑞

完成單位：國(guó)防科技大學(xué)，電子對(duì)抗學(xué)院 ，脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；國(guó)防科技大學(xué)，電子對(duì)抗學(xué)院，先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室；安徽理工大學(xué)，力學(xué)與光電物理學(xué)院

導(dǎo)讀

高能激光是對(duì)抗光電成像系統(tǒng)的有效手段。隨著互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(dāng)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(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。文中首先根據(jù) CMOS 圖像傳感器的發(fā)展歷程，對(duì)其結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)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(jié)，之后綜述了 CMOS 在激光輻照下受到干擾及損傷現(xiàn)象的研究進(jìn)展，并對(duì)干擾的評(píng)價(jià)方法和損傷閾值的主要測(cè)量方法進(jìn)行了總結(jié)歸納，最后探討了利用復(fù)合激光系統(tǒng)提升損傷 CMOS 圖像傳感器能力的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。 ? ?

研究背景

CMOS圖像傳感器是當(dāng)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(cè)器。從損傷閾值的測(cè)量結(jié)果來(lái)看，CMOS 比 CCD 的抗干擾損傷能力更強(qiáng) ，這是因?yàn)镃MOS 的像元具有單獨(dú)的放大和復(fù)位單元，并具有獨(dú)立的行選通電路，因此像元之間更加獨(dú)立，更難發(fā)生串?dāng)_；同時(shí)新型的 CMOS 更多采用背照式和堆棧式結(jié)構(gòu)，芯片中電路層較傳統(tǒng)圖像傳感器位置更深，利用激光損傷電路結(jié)構(gòu)進(jìn)而完全損傷圖像傳感器的難度也更大。隨著背照式和堆棧式等新型CMOS芯片的廣泛應(yīng)用，如何提高激光對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)比（a）前照式結(jié)構(gòu)（b）背照式結(jié)構(gòu) ? ?

主要內(nèi)容

通過(guò)CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)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(jié)：相關(guān)雙采樣的輸出方式可以消除復(fù)位噪聲的干擾，對(duì)低頻噪聲也有抑制作用，可以顯著改善信噪比，提高信號(hào)檢測(cè)精度。但是，該電路采用兩個(gè)信號(hào)差值的方式輸出，同時(shí)干擾兩個(gè)信號(hào)就可以造成像元過(guò)飽和；由于一列像元的參考信號(hào)使用同一根列線傳輸，為大面積串?dāng)_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、線損傷、十字交叉損傷和完全失效損傷等。結(jié)合CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)、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，伴隨著部分金屬遮光層剝落融化，部分單元像素失效造成的；出現(xiàn)線損傷主要是由于局部電路短路或斷路導(dǎo)致信號(hào)傳輸中斷；CMOS出現(xiàn)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(nèi)部，造成晶體硅融化，二氧化硅由于熱應(yīng)力作用發(fā)生變形和斷裂，金屬線路嚴(yán)重?fù)p壞。

圖3 不同激光對(duì)CMOS表面損傷的形貌對(duì)比(a)皮秒激光損傷形貌;(b)飛秒激光損傷形貌

圖4 CCD、前照實(shí)CMOS、背照式CMOS損傷對(duì)比 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(nèi)部電路層的嚴(yán)重?fù)p傷。 如下表所示，本文總結(jié)了干擾和損傷閾值的測(cè)量結(jié)果，并對(duì)重要的研究成果進(jìn)行了綜述和分析。

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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(hù)層，抗損傷能力得到了加強(qiáng)。隨著背照式和堆棧式等新型CMOS 芯片的廣泛應(yīng)用，如何提高激光對(duì)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(yīng)在CMOS上的累積。因此，有研究者將復(fù)合激光應(yīng)用在CMOS圖像傳感器的損傷研究中。復(fù)合激光對(duì)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(shù)配合得當(dāng)，可以有效提升靶材對(duì)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(shù)和任意兩個(gè)激光脈沖之間的延遲時(shí)間都應(yīng)獨(dú)立可調(diào)。如果脈沖串激光組合方式合理，將有可能提高后續(xù)激光對(duì)前面若干層的透過(guò)率和透過(guò)深度，對(duì)后續(xù)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(duì)CMOS干擾和損傷大的機(jī)理，還須開(kāi)展深入完善的理論研究；其次，當(dāng)前復(fù)合激光參數(shù)影響干擾損傷的可參考數(shù)據(jù)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(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展脈沖串激光對(duì)CMOS圖像傳感器的實(shí)驗(yàn)研究，探索器件結(jié)構(gòu)損傷與脈沖串參數(shù)之間的映射關(guān)系。 ? ?

作者簡(jiǎn)介

通訊作者：

卞進(jìn)田，國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員，碩士生導(dǎo)師。一直從事固體激光、非線性激光頻率變換、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(yīng)用研究。主持或參與各類科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，發(fā)表論文60余篇。

李欣，國(guó)防科技大學(xué)電子對(duì)抗學(xué)院脈沖功率激光技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員，碩士生導(dǎo)師，入選國(guó)防科技大學(xué)高層次創(chuàng)新人才計(jì)劃。長(zhǎng)期從事新體制激光與物質(zhì)相互作用方面的研究，中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)、中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》青年編委，主持國(guó)家級(jí)、省部級(jí)科研項(xiàng)目，以第一作者或通訊作者在Nanoscale、Advanced materials technologies、中國(guó)激光等國(guó)內(nèi)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(quán)國(guó)家發(fā)明專利4項(xiàng)。

第一作者：

溫佳起，國(guó)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。

文章信息

溫佳起, 卞進(jìn)田, 李欣, 孔輝, 郭磊, 呂國(guó)瑞. 激光干擾和損傷CMOS圖像傳感器研究進(jìn)展（特邀）[J]. 紅外與激光工程, 2023, 52(6): 20230269. doi: 10.3788/IRLA20230269

編輯：黃飛