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1、脉冲激光对CCD成像器件的破坏机理研究,论文内容,CCD简介项目研究的意义本文所做的工作以及创新点破坏现象破坏机理分析总结,CCD简介,CCD（Charge Coupled Device）即电荷耦合器件，可将景物通过空域逐点光电转换的方式以电荷包的形式储存，借助必要的光学系统、外围时序驱动和信号处理电路，完成采集信号的传输和输出。,CCD作为一种新型的成像器件，具有尺寸小、重量轻、功耗低、灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大等优点，广泛应用于摄像、监控、图像处理等领域。,CCD像素的截面构造,行间转移方式型CCD的像素主要由光电二极管和垂直CCD组成，前者负责光电转换与电荷储存，后者负责电荷的转移
2、。遮光金属钨用来防止光进入垂直CCD，多晶硅为垂直CCD的四相驱动电极。为了提高入射光的利用率，目前商品化的CCD图像传感器，在像素上面放置了一层微镜头结构，将入射至摄影面的光集中到光电二极管。,行间转移方式工作图：,项目研究的意义,在光电对抗中，以CCD芯片为核心的光电成像系统，很容易受到激光的干扰和破坏以致不能正常工作，因此，开展激光对CCD的破坏机理研究对丰富激光与物质相互作用机理数据库和改善CCD的抗激光加固措施具有很重要的理论和实际意义。,自从20世纪70年代起，国外就开始对光电探测器的辐照效应进行研究，但是公开报道的关于CCD的相关研究主要集中于高能粒子辐照CCD方面，是基于搭载在
3、航天器上的CCD成像器件工作在高能粒子密度大的外太空的实验研究。国内也开展了大量的相关研究，主要工作是测量了CCD在不同波长的连续或脉冲激光辐照下的饱和与破坏阈值，但是对CCD的损伤或破坏机理的研究不够深入。,本文所做的工作及创新点,本文针对脉冲激光辐照CCD造成后者出现不可恢复的白色亮线和全场黑屏的破坏现象，通过测量CCD的电阻特性和输出波形，结合分析CCD损伤处各层的微观形貌，研究了CCD的破坏机理。,创新点：以往的机理研究只是局限于在激光能量升到一定程度而把CCD各层造成不同程度的烧蚀之后，电极与衬底的短路，没有深入清楚的解释CCD的失效。本文从黑体像素的角度解释了CCD完全失效的根本原
4、因。,破坏现象,激光经扩束，使光斑覆盖CCD的镜头，用电子快门控制进入CCD镜头的激光脉冲数为5个。当CCD镜头前激光的单脉冲能量密度为3mJ/cm2时，CCD的输出图像沿光斑处的时钟线方向出现无法正常成像的白色亮线，激光停照后无法恢复；当镜头前激光的单脉冲能量密度升至5mJ/cm2时，CCD的输出图像变为全屏黑色，激光停照后无法恢复，CCD完全失效。两种破坏现象具有很好的可重复性。无论有没有入射光，两种破坏现象均存在,白色不可恢复亮线,全屏黑色失效,破坏机理分析,测量已破坏CCD与正常CCD的垂直驱动电极V1V4与衬底间的电阻，三者的对比见下表。与正常的CCD相比，已破坏CCD的各项阻值都有
5、不同程度的下降。,遮光钨,白色亮线CCD不同层的微观损伤形貌,衬底,失效CCD不同层的围观损伤形貌,遮光钨,衬底,从上面的几幅图看出，光斑处光电二极管已经被烧蚀，透明的二氧化硅层也已经被部分破坏。部分SiO2层退氧化为导电的多晶硅从而绝缘度降低，这也解释了垂直CCD驱动电极与衬底间电阻的降低。失效CCD的遮光钨已经被部分烧蚀穿透，遮光钨下面的垂直CCD已经被激光烧蚀至衬底层，多晶硅电极与衬底发生短路，从而驱动电极与衬底的电阻值大幅降低。已破坏CCD的驱动电极与衬底之间的电阻值发生了不同程度的降低，造成了漏电流增加。,同时，衬底层已经被烧蚀，激光破坏光电二极管的掺杂硅层引入了大量缺陷，这些缺陷作
6、为杂质中心，活跃的电子更容易从价带自由激发至其杂质能级或从杂质能级自由激发至价带而无需光照，从而造成光电二极管的暗电流产生。还有一部分暗电流由界面态所引起。,为了研究漏电流和暗电流使CCD的输出图像变得异常的机理，测量CCD在输出图像全黑的情况下的输出波形，与CCD出现暂时性黑屏时和全场饱和也即输出图像为全白时的输出波形对比。,全场饱和,暂时性黑屏,失效,对比可以看出，暂时性黑屏和失效时CCD的输出波形相同。黑屏与白屏的输出波形差别为黑屏比白屏多一些饱和像素，是每行像素两端的光学黑体像素和空中传输信号像素。由于激光的能量高且集中，其在光电二极管内产生的光生电荷量将会超过光电二极管的存储容量，超
7、出容量的部分将会直接溢出至垂直CCD中而不必经过读出转移动作，溢出的这部分电荷被称作溢出电荷包。,如果溢出电荷包超出了垂直CCD的势阱存储电荷量，超出的部分将结合着垂直转移动作向时钟线方向的垂直CCD转移，使之全部饱和。从而造成CCD光斑处时钟线方向出现白色亮线。如果垂直CCD全部饱和外仍有溢出电荷包存在，在电荷由垂直CCD转移到水平CCD时将有溢出电荷包随着扩散到水平CCD，从而导致对相邻水平CCD的串扰饱和。,当激光脉冲能量增加到一定程度，大量的溢出电荷包将使水平CCD全部饱和，进而每一行像素的读出都为饱和信号，最终造成CCD读出的全场饱和，此时输出图像为全白。若继续增加激光脉冲能量，使得
8、溢出电荷包扩散到光学黑体像素转移至水平CCD中的部分并使其饱和，光学黑体无法正常表现出黑电平基准信号，而把饱和信号当做黑电平基准。此时有效像素的读出都为饱和信号，因此输出图像为全黑。,漏电流和暗电流形成的大量溢出电荷与高能量激光造成的溢出电荷包效果相同。CCD完全失效时的溢出电荷要远远多于CCD出现不可恢复白色亮线时的溢出电荷。与不可恢复白色亮线的破坏相比，CCD完全失效时激光已经把遮光钨层烧蚀穿透，其下的多晶硅电极与衬底层短路，即是漏电流大幅增加。由此判断多晶硅电极与衬底之间短路造成漏电流的大幅度增加导致了CCD的完全失效。只要CCD处在工作状态，无论有没有入射光，漏电流和暗电流就会存在，破
9、坏现象也就一直存在，无法恢复。,总结,通过测量多晶硅驱动电极与衬底之间的电阻值、观察CCD不同分层的破坏形貌和程度以及检测其输出波形的方法，本文分析了造成CCD两种类型破坏的机理。研究发现，CCD产生破坏的原因可以归结为：激光烧蚀各分层，造成衬底大量缺陷的引入、Si-SiO2界面态的产生导致暗电流的生成，驱动电极与衬底间阻值的降低甚至短路，致使漏电流的产生。暗电流和漏电流的大量电荷使得没有被光照射的像素发生饱和，从而成像异常。,随着激光能量增加，两种因素产生的电荷会有不同程度的增加，造成破坏程度的加深。当激光把遮光钨层烧蚀穿透并把多晶硅电极和二氧化硅层烧蚀而与衬底层短路时，大量的溢出电荷使得光学黑体像素变为饱和输出，导致黑电平基准变化，从而CCD的输出图像变为全黑，完全失效。,谢谢！请批评指正！,
