如何利用复合激光系统提升损伤CMOS图像传感器

2023年，国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略，全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果，中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学•光学工程学科专刊”，并特邀国防科技大学对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室团队为专刊撰写“激光干扰和损伤CMOS图像传感器研究进展（特邀）” 综述文章，对干扰的评价方法和损伤阈值的主要测量方法进行了总结归纳，探讨了利用复合激光系统提升损伤CMOS图像传感器能力的发展现状和前景。

撰稿人：温佳起，卞进田，李欣

论文题目：激光干扰和损伤CMOS图像传感器研究进展（特邀）

作者：温佳起，卞进田，李欣，孔辉，郭磊，吕国瑞

完成单位：国防科技大学，电子对抗学院 ，脉冲功率激光技术国家重点实验室；国防科技大学，电子对抗学院，先进激光技术安徽省实验室；安徽理工大学，力学与光电物理学院

导读

高能激光是对抗光电成像系统的有效手段。随着互补金属氧化物半导体 (CMOS) 图像传感器性能和制作工艺的快速发展，其市场占有率已逐步赶超电荷耦合器件 (CCD)，成为当前主流的图像传感器。CMOS 图像传感器的激光干扰和损伤也随之成为国内外相关领域的研究热点。文中首先根据 CMOS 图像传感器的发展历程，对其结构和工作原理进行了介绍，并在此基础上简要分析了 CMOS 图像传感器在激光辐照过程中的薄弱环节，之后综述了 CMOS 在激光辐照下受到干扰及损伤现象的研究进展，并对干扰的评价方法和损伤阈值的主要测量方法进行了总结归纳，最后探讨了利用复合激光系统提升损伤 CMOS 图像传感器能力的发展现状和前景。    

研究背景

CMOS图像传感器是当前最主流的固态图像传感器。具有功耗低、集成度高、成像速度快等特点。最近十几年间不断在性能上取得突破性发展，在市场占有率和产品迭代速度上都已超越了CCD图像探测器。从损伤阈值的测量结果来看，CMOS 比 CCD 的抗干扰损伤能力更强 ，这是因为CMOS 的像元具有单独的放大和复位单元，并具有独立的行选通电路，因此像元之间更加独立，更难发生串扰；同时新型的 CMOS 更多采用背照式和堆栈式结构，芯片中电路层较传统图像传感器位置更深，利用激光损伤电路结构进而完全损伤图像传感器的难度也更大。随着背照式和堆栈式等新型CMOS芯片的广泛应用，如何提高激光对背照式CMOS的干扰和损伤效率是下一步研究中亟待解决的问题。

图1 前照式与背照式CMOS像素结构对比（a）前照式结构（b）背照式结构    

主要内容

通过CMOS图像传感器的结构和功能介绍，本文分析了CMOS图像传感器在激光辐照中的薄弱环节：相关双采样的输出方式可以消除复位噪声的干扰，对低频噪声也有抑制作用，可以显著改善信噪比，提高信号检测精度。但是，该电路采用两个信号差值的方式输出，同时干扰两个信号就可以造成像元过饱和；由于一列像元的参考信号使用同一根列线传输，为大面积串扰提供了可能性。

图2 CMOS像元的相关双采样工作过程 常见的CMOS图像传感器激光损伤包括点损伤、线损伤、十字交叉损伤和完全失效损伤等。结合CMOS图像传感器的结构、损伤形貌及其失效原因研究分析可知：不同阶段的损伤与激光作用的深度有关，其中点损伤主要是由于微透镜和滤光片受损，伴随着部分金属遮光层剥落融化，部分单元像素失效造成的；出现线损伤主要是由于局部电路短路或断路导致信号传输中断；CMOS出现十字交叉损伤并造成大面积失效，则需要激光能量深入CMOS芯片内部，造成晶体硅融化，二氧化硅由于热应力作用发生变形和断裂，金属线路严重损坏。

图3 不同激光对CMOS表面损伤的形貌对比(a)皮秒激光损伤形貌;(b)飞秒激光损伤形貌

图4 CCD、前照实CMOS、背照式CMOS损伤对比 由此可以判断，造成CMOS图像传感器大面积损伤的关键是造成内部电路层的严重损伤。 如下表所示，本文总结了干扰和损伤阈值的测量结果，并对重要的研究成果进行了综述和分析。

 

   

研究前景与展望

由于背照式CMOS的电路层位置更深，上方有一层较厚的硅基材料，形成了一定的固有的保护层，抗损伤能力得到了加强。随着背照式和堆栈式等新型CMOS 芯片的广泛应用，如何提高激光对背照式 CMOS的损伤效率问题值得关注。 要想提升CMOS器件的激光损伤效率，必须有效提高激光的热效应在CMOS上的累积。因此，有研究者将复合激光应用在CMOS图像传感器的损伤研究中。复合激光对单质靶材的烧蚀和损伤已有较为成熟的研究，如果激光参数配合得当，可以有效提升靶材对激光能量的吸收率，若要进一步提升激光损伤效率，可以考虑将三个或三个以上的脉冲组合成脉冲串的作用形式，其中每个脉冲的参数和任意两个激光脉冲之间的延迟时间都应独立可调。如果脉冲串激光组合方式合理，将有可能提高后续激光对前面若干层的透过率和透过深度，对后续电路层造成有效损伤，进而提升损伤效率。脉冲串激光损伤CMOS仍有以下三个方面的工作需要展开：首先，脉冲激光是对CMOS干扰和损伤大的机理，还须开展深入完善的理论研究；其次，当前复合激光参数影响干扰损伤的可参考数据较少，不足以支撑脉冲串激光的实施策略的建立；最后，需要搭建脉冲串实验系统开展脉冲串激光对CMOS图像传感器的实验研究，探索器件结构损伤与脉冲串参数之间的映射关系。    

作者简介

通讯作者：

卞进田，国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室副研究员，硕士生导师。一直从事固体激光、非线性激光频率变换、激光与物质相互作用方面的技术研究，致力于新体制激光技术及应用研究。主持或参与各类科研项目20余项，发表论文60余篇。

李欣，国防科技大学电子对抗学院脉冲功率激光技术国家重点实验室副研究员，硕士生导师，入选国防科技大学高层次创新人才计划。长期从事新体制激光与物质相互作用方面的研究，中国微米纳米技术学会、中国光学工程学会高级会员，《激光与光电子学进展》青年编委，主持国家级、省部级科研项目，以第一作者或通讯作者在Nanoscale、Advanced materials technologies、中国激光等国内外高水平学术期刊发表论文20余篇，其中ESI高被引论文2篇，授权国家发明专利4项。

第一作者：

温佳起，国防科技大学理学院物理学硕士研究生，主要从事激光与物质相互作用方面的研究。

文章信息

温佳起, 卞进田, 李欣, 孔辉, 郭磊, 吕国瑞. 激光干扰和损伤CMOS图像传感器研究进展（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(6): 20230269. doi: 10.3788/IRLA20230269

编辑：黄飞