GaN-AlGaN雙帶紅外探測及光子頻率上轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、在可見光和近紅外波段(最長到1.1 μm)，硅電荷耦合器件(Si CCD)是一種性能優(yōu)異、并已成熟的成像器件。紫外及更短波段光的探測可通過在Si CCD上涂以合適的發(fā)光材料加以實(shí)現(xiàn)。波長較長的中紅外波段，一般采用InGaAs列陣、InSb列陣、HgCdTe列陣或GaAs/AlGaAs量子阱列陣來進(jìn)行探測成像。對于波長更長的遠(yuǎn)紅外/THz波段，所用的成像方法有掃描成像和實(shí)時成像等，但成像設(shè)備復(fù)雜昂貴，只應(yīng)用在軍事、天文等特殊領(lǐng)域，目前還沒

2、有一種可以普遍采用的、低成本、有效的成像方法。遠(yuǎn)紅外/THz波段常用的探測器是熱敏探測器，如測輻射熱儀和焦熱電探測器，但它們往往具有較長的響應(yīng)時間，而且價格高昂。近年來出現(xiàn)的遠(yuǎn)紅外/THz探測中靈敏度高，響應(yīng)速度快的半導(dǎo)體光電探測器，如GaAs遠(yuǎn)紅外同質(zhì)結(jié)探測器(HIWIP)和GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中紅外/遠(yuǎn)紅外雙帶探測器(HEIWIP)等，為實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外/THz探測成像提供了新的思路。 基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的概念，在半導(dǎo)體

3、遠(yuǎn)紅外/THz探測器結(jié)構(gòu)上面集成生長一短波長發(fā)光二極管(LED)，其發(fā)射波長位于Si CCD的探測范圍之內(nèi),由此串聯(lián)而成的光學(xué)上轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在一恒定的偏壓下，入射的遠(yuǎn)紅外/THz信號被探測器檢測到，引起探測器電阻的下降，并導(dǎo)致發(fā)光二極管上電壓的增加，使LED發(fā)出可被Si CCD直接收集的短波長光，從而可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外/THz信號的上轉(zhuǎn)換成像。 新近研制的單周期GaN/AlGaN HEIWIP中紅外/遠(yuǎn)紅外雙帶探測器,為我們提供了另外一

4、種實(shí)現(xiàn)紅外上轉(zhuǎn)換成像的途徑。通過光致發(fā)光光譜確認(rèn)GaN/AlGaN探測器結(jié)構(gòu)中AlGaN本征層的Al組分，討論了不同Al組分GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶帶階界面功函數(shù)差。利用光學(xué)傳遞矩陣方法以及有效質(zhì)量理論分別模擬了單周期GaN/AlGaN HEIWIP中紅外和遠(yuǎn)紅外波段的響應(yīng)率，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)得到的雙帶響應(yīng)率很好地符合。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了多周期結(jié)構(gòu)的GaN/AlGaN HEIWIP雙帶探測器。研究發(fā)現(xiàn)相對于單周期結(jié)構(gòu)，多周期結(jié)構(gòu)的H

5、EIWIP探測器在中紅外和遠(yuǎn)紅外/THz波段的響應(yīng)都得到了明顯加強(qiáng)。利用優(yōu)化的多周期HEIWIP與GaN/AlGaN紫光LED的集成結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)中紅外/遠(yuǎn)紅外雙帶上轉(zhuǎn)換成像。研究多周期GaN/AlGaN探測器與GaN/AlGaN發(fā)光二極管集成結(jié)構(gòu)的中紅外和遠(yuǎn)紅外光子頻率上轉(zhuǎn)換效率與GaN發(fā)射層厚度、AlGaN本征層厚度、紫光光子出射效率、內(nèi)量子效率、空間頻率和發(fā)射層摻雜濃度間的關(guān)系，優(yōu)化了器件結(jié)構(gòu)參數(shù)。 GaN/AlGaN半導(dǎo)