电荷耦合器件(CCD)是一种半导体成像器件,在体积、功耗和成像质量方面具有很多优点,是光学成像系统和探测系统的核心部件,广泛应用于日常生活、工业生产、教学科研和国防军事等领域。激光具有高方向性、单色性和能量集中等优势,容易造成材料和器件的可控性损伤。因此,激光辐照破坏CCD的机理研究对于成像系统的光电对抗和光学传感器的激光加固设计具有重要的意义。当前研究激光破坏CCD面临两个主要问题,一是对CCD的结构和构成材料认识不清楚;二是对CCD损伤之后的形貌和性质的观察测量不深入。因此导致目前多数论文对CCD损伤机理的分析只能作为一种假设,并没有给出确凿的证据。针对这些问题,本文选取一种典型的前照式面阵CCD作为研究对象,通过实验解剖和理论分析,对CCD的构造和工作原理有了清晰的把握;利用纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光分别对CCD进行单脉冲辐照损伤实验;结合CCD的构造与辐照激光的性质,研究分析了CCD发生点损伤、线损伤和完全损伤时的损伤机理。具体内容如下:(1)对CCD进行逐层解剖,使用原子力显微镜(AFM)和扫描电子显微镜(SEM)对CCD的各层结构进行观测分析。CCD的结构主要有:微透镜层、二氧化硅光学增厚层、遮光钨、硅电极、二氧化硅绝缘层和硅基底。实验中精确的控制HF对CCD二氧化硅光学增厚层的腐蚀时间,减小了对绝缘层的损伤。利用聚焦离子束切割CCD,得到截面绝缘层的厚度。实验借助AFM和SEM的高分辨率,清晰的展现出CCD的各层结构,促进了对CCD构造的理解。结合CCD单个像素的结构,利用半导体理论对其工作原理进行了简要论述,为后文CCD损伤后输出图像的分析打下了基础。(2)进行了纳秒激光、皮秒激光和飞秒激光对CCD的单脉冲辐照损伤实验。通过激光单脉冲辐照,避免了多脉冲的累积效应对CCD的影响。根据CCD受损后的输出图像判定其三个损伤阶段,并确定各个损伤阶段对应的激光能量密度阈值。其中,纳秒激光能量不稳定,对CCD造成损伤的能量阈值和输出图像差异较大;而皮秒激光和飞秒激光能量较为稳定,所以损伤能量阈值和输出图像差异较小。(3)对三种不同脉宽的激光辐照损伤CCD的机理进行了研究。根据微透镜的聚焦效应,模拟出入射激光在CCD硅基底表面形成的能量分布。模拟结果表明,入射光能量聚焦在硅基底的感光区内,成哑铃型分布,两端最大能量放大倍数约为40倍。在此基础上,结合飞秒激光与物质相互作用理论,确定了飞秒激光辐照CCD的最初损伤机理——电致氧化层击穿理论;结合CCD的工作原理和输出图像的性质,确定读出门的衰退是造成CCD线损伤的主要原因。针对单脉冲飞秒激光难以完全损伤CCD这一问题,从单个像素的构成物质和激光作用的层面进行了解释,即飞秒激光单脉冲难以穿透硅基底致使电极与基底间短路或穿透二氧化硅光学增厚层和遮光钨致使电极间短路。纳秒激光和皮秒激光对CCD的损伤主要为热效应损伤。根据模拟的激光能量分布,将热传导模型中的热源项定位在硅基底表面的激光辐照区域,有别于将热源定位于遮光层的传统热传导模型。对纳秒激光和皮秒激光的单脉冲辐照进行了模拟计算,结果表明,硅基底内部温度的横向扩散距离大于纵向扩散距离,从而判定绝缘层的热损伤是导致CCD从点损伤到完全失效的主要原因。本文将激光辐照损伤CCD的机理分析定位在单个像素内,结合激光与物质的相互作用理论,CCD的构造和工作原理共同得出结论。文中提供了高分辨率的CCD结构图和CCD损伤后的微观形貌图,特别是CCD损伤后单个像素内材料的局域损伤图像。这些微观结构的分析表征图像为CCD微观损伤机理的确定提供了有力的证明。