半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外-THz上轉(zhuǎn)換成像器件研究.pdf

1、在可見光和近紅外波段(最長到1.1μm)，硅電荷耦合器件(Si CCD)是一種性能優(yōu)異、并己成熟的成像器件。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(shí)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，目前還沒有

2、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(shí)間，而且價(jià)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)體遠(yuǎn)

3、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。 將GaAs HIWIP遠(yuǎn)紅外探測器與GaAs/AlGaAs近紅外LED串連集成起來，就得到了G

4、aAs基半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外/THz上轉(zhuǎn)換成像器件(HIWIP-LED)。GaAs HIWIP探測器是這種上轉(zhuǎn)換成像器件中非常重要的一部分，其主要結(jié)構(gòu)由多周期的GaAs發(fā)射層/本征層組成。通過調(diào)節(jié)發(fā)射層中的摻雜濃度或偏壓，可以很方便地改變探測器的截止波長。同時(shí)基于相關(guān)理論模型，分析了探測器中的自由載流子吸收，熱載流子輸運(yùn)，及界面處的勢壘收集過程，并介紹了多周期GaAs HIWIP中的碰撞離子化過程，以及在不同摻雜和偏壓下的響應(yīng)率情況。

5、上轉(zhuǎn)換量子效率和成像質(zhì)量是半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外/THz上轉(zhuǎn)換成像器件的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。從GaAsHIWIP的電流連續(xù)性方程出發(fā)，并結(jié)合頻譜分析方法，得到了到達(dá)GaAs/AlGaAsLED的光電流空間分布情況。同時(shí)考慮LED中的光子循環(huán)效應(yīng)，并對LED激活層中熱載流子的擴(kuò)散方程進(jìn)行分析，可以得到轉(zhuǎn)換過來的近紅外光的空間分布情況。由此考察了GaAsHIWIP-LED的調(diào)制傳遞函數(shù)和上轉(zhuǎn)換量子效率與探測器和LED器件參數(shù)的關(guān)系，并優(yōu)化了相關(guān)器件參數(shù)

6、。研究表明利用優(yōu)化的HIWIP-LED結(jié)構(gòu)，可以成功地對遠(yuǎn)紅外/THz輻射進(jìn)行上轉(zhuǎn)換成像，并且能獲得較為滿意的圖像質(zhì)量。 然而GaAsHIWIP-LED的上轉(zhuǎn)換量子效率比較低，這對于成像是不利的，主要原因在于GaAsHIWIP探測器中的光吸收效率和LED中的光子出射效率比較低，同時(shí)光子循環(huán)效應(yīng)對圖像的質(zhì)量也產(chǎn)生不利的影響。為了提高遠(yuǎn)紅外上轉(zhuǎn)換成像的性能，接著采用了諧振腔增強(qiáng)的GaAsHIWIP-LED結(jié)構(gòu)。首先用帶底部反射鏡的G

7、aAs遠(yuǎn)紅外同質(zhì)結(jié)探測器(HIWIP-BM)代替GaAsHIWIP，由于底部反射鏡加強(qiáng)了探測器中的光吸收，在共振條件下GaAsHIWIP-BM的量子效率比GaAsHIWIP有了明顯提高。對體系的調(diào)制傳遞函數(shù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，底部反射鏡在提高探測器量子效率的同時(shí)，并不影響整個(gè)上轉(zhuǎn)換體系的成像效果。然后在GaAs/AlGaAsLED頂部和底部分別加上分布式布拉格反射鏡(DBR)構(gòu)成諧振腔，研究了DBR諧振腔存在時(shí)LED的光子出射效率。計(jì)算表明當(dāng)

8、項(xiàng)部DBR為1個(gè)周期，底部DBR為6個(gè)周期，并且LED激活層到底部和頂部DBR的距離之比為9:1時(shí)，光子出射效率可以達(dá)到25％以上。在諧振腔增強(qiáng)的GaAsHIWIP-LED中，上轉(zhuǎn)換量子效率提高到原來的5～6倍，同時(shí)還由于DBR諧振腔的存在減弱了LED中的光子循環(huán)效應(yīng)，使得遠(yuǎn)紅外成像效果也有了明顯的提高。另外需要指出的是，HIWIP的底部反射鏡和LED的底部DBR有效地遏制了LED發(fā)出的近紅外光子向HIWIP方向傳播，被探測器的發(fā)射層重

9、新吸收所引起的串音現(xiàn)象。 新近研制的單周期GaN/AlGaNHEIWIP中紅外/遠(yuǎn)紅外雙帶探測器，為我們提供了另外一種實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外/THz上轉(zhuǎn)換成像的途徑。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/AlGaNHEIWIP中紅外和遠(yuǎn)紅外/THz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/AlGaNHEIWIP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HEIW

10、IP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。若用DBR諧振腔增強(qiáng)的GaN/AlGaNLED替代常規(guī)的LED，可實(shí)現(xiàn)良好的成像效果。同時(shí)由于多周期HEIWIP探測器的光響應(yīng)很強(qiáng)，HEIWIP-LED雙帶上轉(zhuǎn)換成像器件具有很高的上轉(zhuǎn)換量子效率。 GaAs基HIWIP-LED遠(yuǎn)紅外/THz上轉(zhuǎn)換以及GaN/Al

11、GaNHEIWIP-LED中紅外/遠(yuǎn)紅外雙帶上轉(zhuǎn)換成像結(jié)構(gòu)可通過常規(guī)器件制備方法制作器件單元，利用大尺寸(厘米量級)光學(xué)上轉(zhuǎn)換器件單元自然的載流子密度分布與SiCCD結(jié)合可直接形成上轉(zhuǎn)換成像器件。并且這種上轉(zhuǎn)換成像器件不需要任何特殊的混合讀出電路，成像是通過高效、成熟的SiCCD實(shí)現(xiàn)的。在GaAsHIWIP-LED中，由于探測器的截止波長可通過調(diào)節(jié)器件參數(shù)來控制，相應(yīng)遠(yuǎn)紅外/THz成像的波段也較容易調(diào)節(jié)。因此，半導(dǎo)體遠(yuǎn)紅外/THz上轉(zhuǎn)換