半导体远红外/THz上转换成像器件研究
在可见光和近红外波段(最长到1.1μm)，硅电荷耦合器件(Si CCD)是一种性能优异、并己成熟的成像器件。紫外及更短波段光的探测可通过在Si CCD上涂以合适的发光材料加以实现。波长较长的中红外波段，一般采用InGaAs列阵、InSb列阵、HgCdTe列阵或GaAs/AlGaAs量子阱列阵来进行探测成像。对于波长更长的远红外/THz波段，所用的成像方法有扫描成像和实时成像等，但成像设备复杂昂贵，只应用在军事、天文等特殊领域，目前还没有一种可以普遍采用的、低成本、有效的成像方法。远红外/THz波段常用的探测器是热敏探测器，如测辐射热仪和焦热电探测器，但它们往往具有较长的响应时间，而且价格高昂。近年来出现的远红外/THz探测中灵敏度高，响应速度快的半导体光电探测器，如GaAs远红外同质结探测器(HIWIP)和GaN/AlGaN异质结中红外/远红外双带探测器(HEIWIP)等，为实现半导体远红外/THz探测成像提供了新的思路。
基于光子频率上转换的概念，在半导体远红外/THz探测器结构上面集成生长一短波长发光二极管(LED)，其发射波长位于Si CCD的探测范围之内，由此串联而成的光学上转换结构在一恒定的偏压下，入射的远红外/THz信号被探测器检测到，引起探测器电阻的下降，并导致发光二极管上电压的增加，使LED发出可被Si CCD直接收集的短波长光，从而可以实现远红外/THz信号的上转换成像。
将GaAs HIWIP远红外探测器与GaAs/AlGaAs近红外LED串连集成起来，就得到了GaAs基半导体远红外/THz上转换成像器件(HIWIP-LED)。GaAs HIWIP探测器是这种上转换成像器件中非常重要的一部分，其主要结构由多周期的GaAs发射层/本征层组成。通过调节发射层中的掺杂浓度或偏压，可以很方便地改变探测器的截止波长。同时基于相关理论模型，分析了探测器中的自由载流子吸收，热载流子输运，及界面处的势垒收集过程，并介绍了多周期GaAs HIWIP中的碰撞离子化过程，以及在不同掺杂和偏压下的响应率情况。
上转换量子效率和成像质量是半导体远红外/THz上转换成像器件的两个重要性能指标。从GaAsHIWIP的电流连续性方程出发，并结合频谱分析方法，得到了到达GaAs/AlGaAsLED的光电流空间分布情况。同时考虑LED中的光子循环效应，并对LED激活层中热载流子的扩散方程进行分析，可以得到转换过来的近红外光的空间分布情况。由此考察了GaAsHIWIP-LED的调制传递函数和上转换量子效率与探测器和LED器件参数的关系，并优化了相关器件参数。研究表明利用优化的HIWIP-LED结构，可以成功地对远红外/THz辐射进行上转换成像，并且能获得较为满意的图像质量。
然而GaAsHIWIP-LED的上转换量子效率比较低，这对于成像是不利的，主要原因在于GaAsHIWIP探测器中的光吸收效率和LED中的光子出射效率比较低，同时光子循环效应对图像的质量也产生不利的影响。为了提高远红外上转换成像的性能，接着采用了谐振腔增强的GaAsHIWIP-LED结构。首先用带底部反射镜的GaAs远红外同质结探测器(HIWIP-BM)代替GaAsHIWIP，由于底部反射镜加强了探测器中的光吸收，在共振条件下GaAsHIWIP-BM的量子效率比GaAsHIWIP有了明显提高。对体系的调制传递函数进行分析发现，底部反射镜在提高探测器量子效率的同时，并不影响整个上转换体系的成像效果。然后在GaAs/AlGaAsLED顶部和底部分别加上分布式布拉格反射镜(DBR)构成谐振腔，研究了DBR谐振腔存在时LED的光子出射效率。计算表明当项部DBR为1个周期，底部DBR为6个周期，并且LED激活层到底部和顶部DBR的距离之比为9:1时，光子出射效率可以达到25％以上。在谐振腔增强的GaAsHIWIP-LED中，上转换量子效率提高到原来的5～6倍，同时还由于DBR谐振腔的存在减弱了LED中的光子循环效应，使得远红外成像效果也有了明显的提高。另外需要指出的是，HIWIP的底部反射镜和LED的底部DBR有效地遏制了LED发出的近红外光子向HIWIP方向传播，被探测器的发射层重新吸收所引起的串音现象。
新近研制的单周期GaN/AlGaNHEIWIP中红外/远红外双带探测器，为我们提供了另外一种实现远红外/THz上转换成像的途径。利用光学传递矩阵方法以及有效质量理论分别模拟了单周期GaN/AlGaNHEIWIP中红外和远红外/THz波段的响应率，计算结果与实验得到的双带响应率很好地符合。在此基础上，设计了多周期结构的GaN/AlGaNHEIWIP双带探测器。研究发现相对于单周期结构，多周期结构的HEIWIP探测器在中红外和远红外/THz波段的响应都得到了明显加强。利用优化的多周期HEIWIP与GaN/AlGaN紫光LED的集成结构，可以实现中红外/远红外双带上转换成像。若用DBR谐振腔增强的GaN/AlGaNLED替代常规的LED，可实现良好的成像效果。同时由于多周期HEIWIP探测器的光响应很强，HEIWIP-LED双带上转换成像器件具有很高的上转换量子效率。
GaAs基HIWIP-LED远红外/THz上转换以及GaN/AlGaNHEIWIP-LED中红外/远红外双带上转换成像结构可通过常规器件制备方法制作器件单元，利用大尺寸(厘米量级)光学上转换器件单元自然的载流子密度分布与SiCCD结合可直接形成上转换成像器件。并且这种上转换成像器件不需要任何特殊的混合读出电路，成像是通过高效、成熟的SiCCD实现的。在GaAsHIWIP-LED中，由于探测器的截止波长可通过调节器件参数来控制，相应远红外/THz成像的波段也较容易调节。因此，半导体远红外/THz上转换成像器件具有简单、成本低、响应波长可调等特点。由于远红外/THz探测成像在天体物理、红外物理和新材料探索等领域广泛的应用前景，这类半导体远红外/THz上转换成像器件具有潜在的应用价值。
半导体远红外;近红外波段;硅电荷耦合器件;转换成像器件;光子频率
上海交通大学
博士
凝聚态物理
沈文忠
2008
中文
TN362
124
2009-04-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）