MOS器件的超短脉冲激光辐照效应

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源的干扰甚至破坏 ， 同时 Ｃ Ｃ Ｄ 与激光脉冲的相互作
Biblioteka Baidu收稿日期 ： ２ ０ １ ４－１ ０－１ ０．
Ｓ ＥＭ Ｉ Ｃ Ｏ Ｎ Ｄ Ｕ Ｃ Ｔ Ｏ Ｒ Ｏ Ｐ Ｔ Ｏ Ｅ Ｌ Ｅ Ｃ Ｔ Ｒ Ｏ Ｎ Ｉ Ｃ Ｓ ｏ ｌ ． ３ ６Ｎ ｏ ． ４ Ｖ
Ａ ｕ ． ２ ０ １ ５ ｇ
的响应特性 。 峰值功率高 。 当超 短 脉 冲 辐 照 半 导 体 器 件 时 ， 瞬时 激发的大量载流子 使 半 导 体 内 部 产 生 复 杂 的 变 化 ， 主要过程 包 括 载 流 子 产 生 、 复 合 和 输 运 三 个 过 程。 由于电路分析模型 的 精 度 有 限 ， 而半物理半实验模 型不能对复杂的载流子的产生和输运过程进行准确 所以采用基 于 物 理 模 型 建 模 的 方 式 研 究 超 地描述 ， 快激 光 对 Ｃ Ｃ Ｄ 光 生 载 流 子 的 特 征 进 行 仿 真 研 究。 对于单个的 ＭＯ 其长度为 ３μ 衬底厚度为 Ｓ 结构 ， ｍ， １ ７ ， ， 栅极 ４μ ｍ 衬底掺 杂 为 ｎ 型 浓 度 为 １×１ ０ ｃ ｍ－３ ， 加载 －３Ｖ 偏 置 电 压 ， 在硅衬底上表面加入电极以 获取相关光电参数 。 当 激 光 脉 冲 波 长 为 １ ０ ６ ４ｎ ｍ，
［ ］ 压大小使 ＭＯ Ｓ 结构中存储的电荷转移出去 ５－６ 。
生的电荷量随功率密度和脉宽的变化 如 图 ２ 和 图 ３ 所示 。
图 １ ＭＯ Ｓ 单元结构
信号电荷的来源分为光注入和电注入两大类。 通常 Ｃ 当光 Ｃ Ｄ 摄像器件的光敏单元为光注入方式 ， 照射到 ｐ 型硅片上 时 ， 在靠近栅极部分的半导体中 多数载流子被栅极排开 ， 少数载流 产生电子空穴对 ， 子被势阱收集 ， 成 为 信 号 电 荷。 光 注 入 方 式 的 注 入
０ 引言
电荷耦合 器 件 （ 是 在 ＭＯ Ｃ Ｃ Ｄ） Ｓ（ Ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｘ ｉ ｄ ｅ －Ｏ － ） 的基 础 上 发 展 起 来 的 ， 该器件以电 Ｓ ｅ ｍ ｉ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｏ ｒ 荷作为信号 ， 具有 集 成 度 高 、 体 积 小、 功耗低和量子 效 率 高 等 特 点， 广 泛 应 用 于 探 测、 显示与识别领
《 半导体光电 》 ２ ０ １ ５ 年 ８ 月第 ３ ６ 卷第 ４ 期
张玉发 等 ： Ｓ 器件的超短脉冲激光辐照效应 ＭＯ

光电器件
ＭＯ Ｓ 器件的超短脉冲激光辐照效应
张玉发 ，孙晓泉
（ ） 电子工程学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室 ， 合肥 ２ ３ ０ ０ ３ ７
： ） Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｃ Ｄ（ Ｃ ｈ ａ ｒ ｅ Ｃ ｏ ｕ ｌ ｅ ｄ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｓ ｉ ｓ ｅ ａ ｓ ｉ ｌ ｄ ｉ ｓ ｔ ｕ ｒ ｂ ｅ ｄ ｏ ｒ ｄ ａ ｍｍ ｅ ｄ ｂ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｂ ｅ ｃ ａ ｕ ｓ ｅ ｏ ｆ Ｃ ｇ ｐ ｙ ｙ ， ｈ ｉ ｈ ｓ ｅ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ． Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｚ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｅ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｒ ｉ ｎ ｃ ｉ ｌ ｅ ｓ ｏ ｆ ｇ ｙ ｙ ｇ ｇ ｐ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｕ ａ ｎ ｔ ｉ ｔ ＭＯ Ｓ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｆ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ＭＯ Ｓ ｗ ａ ｓ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｑ ｙ ｇ ｕ ｌ ｓ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｏ ｆ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅ ｉ ｎ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ａ ｎ ｄ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ｗ ｅ ｒ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｄ ． ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ｉ ｓ ｐ ｐ ｇ ｇ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｉ ｔ Ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｗ ａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄ ｏ ｕ ｔ ｔ ｏ ｉ ｎ ｖ ｅ ｓ ｔ ｉ ａ ｔ ｅ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ａ ｔ ｐ ｙ ｐ ｇ ｐ ｄ ｉ ｆ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｔ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ． Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ＭＯ Ｓ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｅ ａ ｋ ｐ ｇ ｐ ｏ ｆ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ａ ｖ ｅ ｒ ａ ｅ ｏ ｗ ｅ ｒ ｏ ｒ ｕ ｌ ｓ ｅ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ｅ ｇ ｇ ｐ ｐ ，ｔ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｌ ．Ｍ ｅ ａ ｎ ｗ ｈ ｉ ｌ ｅ ｈ ｅ ｄ ｅ ｌ ａ ｏ ｆ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｅ ａ ｒ ｅ ｄ ｉ ｓ ｌ ａ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｏ ｕ ｔ ｃ ｏ ｍ ｅ ｏ ｆ ｇ ｙ ｙ ｇ ｐ ｙ ｅ ｘ ｅ ｒ ｉ ｍ ｅ ｎ ｔ ｒ ｅ ｖ ｅ ａ ｌ ｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｏ ｌ ｄ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｗ ｈ ｅ ｎ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｗ ｉ ｄ ｔ ｈ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｕ ｌ ｓ ｅ ｐ ｐ ｐ ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｌ Ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｃ ｌ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｈ ａ ｖ ｅ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｓ ｉ ｎ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｎ ｃ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ａ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｕ ｌ ｓ ｅ ｉ ｎ ｐ ｇ ｙ． ｇ ｐ ｐ ｐ ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ． ｐ ｇ ｇ ： ； ； ； Ｋ ｅ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ＭＯ Ｓ ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｓ ｈ ｏ ｌ ｄ ｐ ｙ
］ １ ２ － 。 由于灵 敏 度 高 ， 域［ Ｃ Ｃ Ｄ 易受到激光等强辐射
用是科研工作者不断探索的方向 。 随着超短脉冲技 术的发 展 ， 皮 秒 激 光、 飞秒激光与 Ｃ Ｃ Ｄ 的相互作用
］ ３ ４ － 。现有的研究多从超短脉冲 逐渐受到人 们 重 视 ［
干扰和破坏阈值方面进行研究 ， 得到 Ｃ Ｃ Ｄ 器件的干 扰阈值和破坏阈值等 ， 但关于 Ｃ Ｃ Ｄ 对信号量级超短 脉冲响应的研究有限 。 本文从 ＭＯ 通过理论分析和 Ｓ 单 元 结 构 出 发， 研究超短脉冲对 Ｃ 数据 仿 真 的 方 式 ， Ｃ Ｄ 单元的影 响， 并通过实验进一步研究 Ｃ Ｃ Ｄ 对短脉冲激光信号
５］ 电荷量为 ［
图 ２ 电荷量与激光功率密度的关系
Ｑ ＝ｅ ｓ ｔ Ｉ ｇ ０
（ ） １
式中 ， ｅ 为 电 子 电 量， ｓ 为 耗 尽 层 截 面 积， １－ ｇ＝η（ ／ Ｒ） ｈ Ｒ为Ｃ Ｃ Ｄ 反射率 ， ｔ为 ν， η 为材料的量子效率 ， 注入光的时间 ， Ｉ ０ 为入射光的功率密度。信 号 电 荷 经过多次耦合后 ， 在输出端转换成电压信号读出 ， 最 终的输出信号电压与信号电荷的关系为 （ ） Ｖ ＝Ｋ Ｑ ２ 式中 ， 系数 Ｋ 与外电路参数有关 。 由此 可 知 ， 输出信号是光注 Ｃ Ｃ Ｄ 结 构 确 定 后， 入时间和入射光功率密度的函数 。 当入射光功率密 度一定时 ， 为 较 多 地 获 取 相 应 信 号 量， Ｃ Ｃ Ｄ 器件控 制电路通过采用增加曝光量的方式来获取更多的光 生信号电荷 。 由图 ２ 和图 ３ 可知 ， 随着脉冲功率密度的增加 ， 信 号 电 荷 量 线 性 增 加； 并 且 脉 宽 越 大， 激光辐照 光 生 电 荷 量 越 多， 仿真结果与理 Ｃ Ｃ Ｄ 的时间越 长 ， 论分析一致 。 ＭＯ Ｓ单元对超短脉冲响应电压和电 流的特性如图 ４、 ５ 所示 。 由图 ４ 和 图 ５ 可 知 ， 当 ＭＯ Ｓ器件未被激光脉 ， ， 冲照射时 电极电流为 ０ 电压保持 －３Ｖ， 当超短脉 冲激光辐照器件时 ， 在极短的时间内电压和电流出 即 信 号 上 升 沿 陡 峭； 随着激光脉宽的增 现最大值 ， 大， 峰值电流值 和 峰 值 电 压 值 逐 渐 增 大 。 在 脉 冲 激 光停止辐照后 ， 电流和电压出现了拖尾现象 ， 这是由
Ｒ ａ ｄ ｉ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｓ ｏ ｆ ＭＯ Ｓ Ｄ ｅ ｖ ｉ ｃ ｅ ａ ｔ Ｕ ｕ ｌ ｔ ｒ ａ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ －
， Ｚ ＨＡＮＧ Ｙ ｕ ｆ ａ Ｓ ＵＮ Ｘ ｉ ａ ｏ ｕ ａ ｎ ｑ
（ ， ， Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ Ｌ ａ ｂ ． ｏ ｆ Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｌ ａ ｓ ｅ ｒ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ Ｈ ｅ ｆ ｅ ｉ ２ ３ ０ ０ ３ ７， Ｃ Ｈ Ｎ） ｙ ｇ ｙ ｇ ｇ
５ ， 脉宽为 ２ 功率密度为１ 激光产 ０ｐ ｓ ０ Ｗ ·ｃ ｍ－２ 时 ，
１ ＭＯ Ｓ 结构和光生电荷量
信号电荷存储转 Ｃ Ｃ Ｄ 成像器件主要由光 敏 区 、 移区和驱动电路三 个 部 分 构 成 ， 其中最基本的单元 ＭＯ Ｓ 结 构 如 图 １ 所 示 。Ｃ Ｃ Ｄ 通 过 ＭＯ Ｓ结构的电 容特性存储和转移电荷 。 一般以多晶硅材料作为栅 二氧 化 硅 作 为 氧 化 层 ， 衬底为 ｐ型或 ｎ型硅材 极， 料 。 当栅极和衬底 之 间 有 电 压 差 时 ， 硅材料便会形 电 压 越 高， 成能存储信 号 载 流 子 的 势 阱 ， Ｃ Ｃ Ｄ 存储 通过改变相邻栅极间的电 电荷的能力越大 。 最 后 ，
摘 要： 的高敏感性使其 易 受 到 激 光 脉 冲 的 干 扰 甚 至 损 伤 。 在 理 论 分 Ｃ Ｃ Ｄ） 电荷耦合器件 （ 析了影响 ＭＯ 数值仿真了 ＭＯ Ｓ 结构光生电荷量因素的基础上 ， Ｓ 器件的光生电荷量以及响应电压 ； 和电流随激光脉宽和平均功率 变 化 的 关 系 实 验 研 究 了 Ｃ Ｃ Ｄ 对不同参数激光脉冲的光电响应特 性 。 数值仿真表明 ， ＭＯ Ｓ 器件的光生电荷量以及峰值响应电压和电流随激光脉冲的平均功率和脉 宽的增大而增大 ， 并且响应电压和电流有拖尾现象 。 实验结果显示 ， 脉冲越短 ， Ｃ Ｃ Ｄ 的响应阈值越 低 。 研究结论对超短脉冲激光在光电成像方面的应用具有一定的意义 。 关键词 ： Ｓ 器件 ；超短脉冲 ；激光辐照 ；响应阈值 ＭＯ （ ） 中图分类号 ： ＴＮ ２ ４ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ １－５ ８ ６ ８ ２ ０ １ ５ ０ ４－０ ５ ６ ５－０ ４