如何利用復合激光系統提升損傷CMOS圖像傳感器

2023年，國防科技大學迎來了辦學70周年。為推動創新驅動發展戰略，全面展現國防科技大學光學工程學科建設發展的重要成果，中國光學工程學會會刊《紅外與激光工程》在芙蓉迎夏的6月與國防科技大學聯合出版“國防科技大學?光學工程學科?？?，并特邀國防科技大學對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室團隊為?？珜憽凹す飧蓴_和損傷CMOS圖像傳感器研究進展（特邀）” 綜述文章，對干擾的評價方法和損傷閾值的主要測量方法進行了總結歸納，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展現狀和前景。

撰稿人：溫佳起，卞進田，李欣

論文題目：激光干擾和損傷CMOS圖像傳感器研究進展（特邀）

作者：溫佳起，卞進田，李欣，孔輝，郭磊，呂國瑞

完成單位：國防科技大學，電子對抗學院 ，脈沖功率激光技術國家重點實驗室；國防科技大學，電子對抗學院，先進激光技術安徽省實驗室；安徽理工大學，力學與光電物理學院

導讀

高能激光是對抗光電成像系統的有效手段。隨著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展，其市場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領域的研究熱點。文中首先根據 CMOS 圖像傳感器的發展歷程，對其結構和工作原理進行了介紹，并在此基礎上簡要分析了 CMOS 圖像傳感器在激光輻照過程中的薄弱環節，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展，并對干擾的評價方法和損傷閾值的主要測量方法進行了總結歸納，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圖像傳感器。具有功耗低、集成度高、成像速度快等特點。最近十幾年間不斷在性能上取得突破性發展，在市場占有率和產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，更難發生串擾；同時新型的 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節：相關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，可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。但是，該電路采用兩個信號差值的方式輸出，同時干擾兩個信號就可以造成像元過飽和；由于一列像元的參考信號使用同一根列線傳輸，為大面積串擾提供了可能性。

圖2 CMOS像元的相關雙采樣工作過程 常見的CMOS圖像傳感器激光損傷包括點損傷、線損傷、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，其中點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；出現線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生變形和斷裂，金屬線路嚴重損壞。

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

圖4 CCD、前照實CMOS、背照式CMOS損傷對比 由此可以判斷，造成CMOS圖像傳感器大面積損傷的關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層，抗損傷能力得到了加強。隨著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的損傷效率問題值得關注。 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，若要進一步提升激光損傷效率，可以考慮將三個或三個以上的脈沖組合成脈沖串的作用形式，其中每個脈沖的參數和任意兩個激光脈沖之間的延遲時間都應獨立可調。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率和透過深度，對后續電路層造成有效損傷，進而提升損傷效率。脈沖串激光損傷CMOS仍有以下三個方面的工作需要展開：首先，脈沖激光是對CMOS干擾和損傷大的機理，還須開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施策略的建立；最后，需要搭建脈沖串實驗系統開展脈沖串激光對CMOS圖像傳感器的實驗研究，探索器件結構損傷與脈沖串參數之間的映射關系。 ? ?

作者簡介

通訊作者：

卞進田，國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室副研究員，碩士生導師。一直從事固體激光、非線性激光頻率變換、激光與物質相互作用方面的技術研究，致力于新體制激光技術及應用研究。主持或參與各類科研項目20余項，發表論文60余篇。

李欣，國防科技大學電子對抗學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室副研究員，碩士生導師，入選國防科技大學高層次創新人才計劃。長期從事新體制激光與物質相互作用方面的研究，中國微米納米技術學會、中國光學工程學會高級會員，《激光與光電子學進展》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術期刊發表論文20余篇，其中ESI高被引論文2篇，授權國家發明專利4項。

第一作者：

溫佳起，國防科技大學理學院物理學碩士研究生，主要從事激光與物質相互作用方面的研究。

文章信息

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

編輯：黃飛