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ＣＣＤ与激光脉冲的相互作
Biblioteka Baidu收稿日期：２０１４－１０－１０．
ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＯＰＴＯＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳｏｌ．３６Ｎｏ．４Ｖ
Ａｕ．２０１５ｇ
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ＣＣＤ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，１７，，栅极４μ ｍ衬底掺杂为ｎ型浓度为１×１０ｃｍ－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１０６４ｎｍ，
［］压大小使ＭＯＳ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１ＭＯＳ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ＣＤ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ＭＯＣＣＤ）Ｓ（Ｍｅｔａｌｘｉｄｅ－Ｏ－）的基础上发展起来的，该器件以电Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ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》２０１５年８月第３６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
ＭＯＳ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２３００３７
：）ＡｂｓｔｒａｃｔＣＤ（ＣｈａｒｅＣｏｕｌｅｄＤｅｖｉｃｅｓｉｓｅａｓｉｌｄｉｓｔｕｒｂｅｄｏｒｄａｍｍｅｄｂｌａｓｅｒｂｅｃａｕｓｅｏｆＣｇｐｙｙ，ｈｉｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅａｎａｌｚｉｎｔｈｅｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｉｎｄｕｃｅｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒｅｓｔｈｅｒｉｎｃｉｌｅｓｏｆｇｙｙｇｇｐｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅｕａｎｔｉｔＭＯＳｄｅｖｉｃｅｗｅｒｅｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｃｈａｒｅｓｏｆＭＯＳｗａｓｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｐｑｙｇｕｌｓｅｏｗｅｒｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｅｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒｗｉｄｔｈａｎｄａｖｅｒａｅｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄ．ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｓｐｐｇｇｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔＴｈｅｅｘｅｒｉｍｅｎｔｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｔｏｉｎｖｅｓｔｉａｔｅｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｅｓｏｎｓｅａｔｐｙｐｇｐｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌａｓｅｒａｒａｍｅｔｅｒｓ．ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｈａｒｅｓｏｆＭＯＳｄｅｖｉｃｅａｎｄｔｈｅｅａｋｐｇｐｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｅｉｎｃｒｅａｓｅａｓｔｈｅａｖｅｒａｅｏｗｅｒｏｒｕｌｓｅｗｉｄｔｈｏｆｌａｓｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｖａｌｕｅｇｇｐｐ，ｔａｃｃｏｒｄｉｎｌ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅｈｅｄｅｌａｏｆｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｖｏｌｔａｅａｒｅｄｉｓｌａｅｄ．ＴｈｅｏｕｔｃｏｍｅｏｆｇｙｙｇｐｙｅｘｅｒｉｍｅｎｔｒｅｖｅａｌｓｔｈａｔｔｈｅｒｅｓｏｎｓｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｈｅｎｌａｓｅｒｗｉｄｔｈｄｅｃｒｅａｓｅｓｕｌｓｅｐｐｐｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎｌＴｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｓｉｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅａｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｕｌｓｅｉｎｐｇｙ．ｇｐｐｐｏｔｉｃａｌｉｍａｉｎ．ｐｇｇ：；；；ＫｅｗｏｒｄｓＭＯＳｄｅｖｉｃｅｕｌｔｒａｓｈｏｒｔｌａｓｅｒｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｒｅｓｏｎｓｅｔｈｒｅｓｈｏｌｄｐｙ
］１２－。由于灵敏度高，域［ＣＣＤ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ＣＣＤ的相互作用
］３４－。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ＣＣＤ器件的干扰阈值和破坏阈值等，但关于ＣＣＤ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，ＣＤ单元的影响，并通过实验进一步研究ＣＣＤ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＝ｅｓｔＩｇ０
（）１
式中，ｅ为电子电量，ｓ为耗尽层截面积，１－ｇ＝η（／Ｒ）ｈＲ为ＣＣＤ反射率，ｔ为 ν， η 为材料的量子效率，注入光的时间，Ｉ０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＝ＫＱ２式中，系数Ｋ与外电路参数有关。由此可知，输出信号是光注ＣＣＤ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，ＣＣＤ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ＣＣＤ的时间越长，论分析一致。ＭＯＳ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ＭＯＳ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
ＲａｄｉａｔｉｏｎＥｆｆｅｃｔｓｏｆＭＯＳＤｅｖｉｃｅａｔＵｕｌｔｒａｓｈｏｒｔＬａｓｅｒ－
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５，脉宽为２功率密度为１激光产０ｐｓ０Ｗ ·ｃｍ－２时，
１ＭＯＳ结构和光生电荷量
信号电荷存储转ＣＣＤ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ＭＯＳ结构如图１所示。ＣＣＤ通过ＭＯＳ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，ＣＣＤ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ＣＣＤ）电荷耦合器件（析了影响ＭＯ数值仿真了ＭＯＳ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ＣＣＤ对不同参数激光脉冲的光电响应特性。数值仿真表明，ＭＯＳ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，ＣＣＤ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：ＴＮ２４文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５８６８２０１５０４－０５６５－０４