[發(fā)明專(zhuān)利]紅外上轉(zhuǎn)換成像或探測(cè)器件及其實(shí)現(xiàn)方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210119454.1
• 申請(qǐng)日: 2012-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102646747A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-08-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉惠春;沈文忠;楊耀
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L31/147
• 分類(lèi)號(hào): H01L31/147;H01L31/0304;H01L31/18
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 胡晶

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體紅外探測(cè)和成像器件，具體涉及一種基于紅外光子頻率上轉(zhuǎn)換的紅外成像或探測(cè)器件及其實(shí)現(xiàn)方法。?

背景技術(shù)

自然界中的一切物體，只要它的溫度高于絕對(duì)零度，就總是在不斷地發(fā)射輻射能。因此，從原理上講，只要能收集并探測(cè)這些輻射能，就可以通過(guò)重新排列來(lái)自探測(cè)器的信號(hào)形成與景物輻射分布相對(duì)應(yīng)的紅外圖像。

硅電荷耦合器件(Si?CCD)是一種重要的固態(tài)成像器件。上世紀(jì)60?年代末期，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的G.?E.?Smith?等人在研究磁泡時(shí)，發(fā)現(xiàn)了電荷通過(guò)半導(dǎo)體勢(shì)阱發(fā)生轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，提出了電荷耦合這一新概念和一維CCD器件模型,?同時(shí)預(yù)言了CCD?器件在信號(hào)處理、信號(hào)儲(chǔ)存及圖像傳感中的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，多種類(lèi)型規(guī)格的線陣CCD?傳感器已經(jīng)研制成功，它們一般具有高速度、高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。在可見(jiàn)光到近紅外波段(至1.1微米)，Si?CCD?是性能良好的、低成本的成像器件。除了硅CCD之外，人們也開(kāi)發(fā)出了其他硅基成像器件，包括互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件，它具備更低的成本和能耗，更好的性?xún)r(jià)比和自由度，因而越來(lái)越成為主流的成像技術(shù)。在紫外及波長(zhǎng)更短的波段，可以通過(guò)在硅基成像器件表面涂一層磷光物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)探測(cè)成像。然而，對(duì)于波長(zhǎng)超出硅基器件響應(yīng)范圍的紅外光，目前還沒(méi)有一種普遍采用的、低成本、有效的成像器件。

在中紅外至遠(yuǎn)紅外波段發(fā)展較為成熟的傳統(tǒng)探測(cè)器有碲化銦（InSb）紅外探測(cè)器，和碲鎘汞（HgCdTe）紅外探測(cè)器。HgCdTe?和InSb?紅外焦平面陣列在制備中對(duì)材料的要求非常苛刻，因而成品率甚低，且價(jià)格昂貴；又由于其電子有效質(zhì)量小等固有屬性，其隧道電流較大，造成與CCD?耦合困難，信號(hào)處理和使用不便。最近三十年來(lái)，隨著低維材料技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了量子阱紅外探測(cè)器這一新技術(shù)，并且得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，是在半導(dǎo)體超晶格物理和分子束外延的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，在紅外成像方面的應(yīng)用也越來(lái)越多。但是需要指出的是，上述的主流紅外成像大都是基于紅外探測(cè)器陣列及讀出電路系統(tǒng)的，由于讀出電路的復(fù)雜及昂貴，導(dǎo)致紅外成像的成本很高，因而尋求一種低成本，有效的紅外成像方法對(duì)紅外成像的普及應(yīng)用具有重要的意義。

一種新的思路是利用紅外上轉(zhuǎn)換器件來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外成像，它基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的概念，可以將入射的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為短波長(zhǎng)的光，然后用硅電荷耦合器件對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的短波長(zhǎng)光進(jìn)行探測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的上轉(zhuǎn)換成像。利用該方法實(shí)現(xiàn)紅外成像，不需要設(shè)計(jì)特殊的讀出電路，因而降低了紅外成像的成本。紅外上轉(zhuǎn)換器件通常包含紅外探測(cè)器和發(fā)光二極管兩個(gè)部分。

紅外上轉(zhuǎn)換器件最重要的技術(shù)參數(shù)是上轉(zhuǎn)換效率，它的定義是出射的高能量紅外光通量與入射的低能量紅外光通量只比，決定于紅外探測(cè)器的響應(yīng)率和發(fā)光二極管的發(fā)光效率。目前紅外探測(cè)器這一部分已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的程度，例如近紅外探測(cè)器的吸收效率通常達(dá)90%以上，響應(yīng)率大約為1A/W。在LED方面，經(jīng)過(guò)特別優(yōu)化的LED的內(nèi)量子效率可接近100%，也就是說(shuō)，對(duì)于每一對(duì)注入到復(fù)合區(qū)的電子空穴對(duì)，就可以產(chǎn)生一個(gè)光子。但是在實(shí)際的LED?結(jié)構(gòu)中，由于半導(dǎo)體材料的折射率大于空氣的折射率，在激活層中復(fù)合產(chǎn)生的光子向外發(fā)射時(shí)將發(fā)生內(nèi)部全反射，只有一小部分光子可以直接發(fā)射出去，大部分發(fā)射角大于臨界角的光子將被困在LED?中。上轉(zhuǎn)換器件中最成熟的LED材料是砷化鎵（GaAs）材料，其折射率為n≈3.54，光子發(fā)射的臨界角非常小。由Snell?定律知光子的發(fā)射方向只有在4π/(4×3.542)立體角范圍內(nèi)，才可以直接發(fā)射出去，因而光子直接出射的效率只有約2%。故而LED的實(shí)際發(fā)光效率很低，約為0.02?W/A。綜合下來(lái)，器件的上轉(zhuǎn)換效率也很低，約為百分之一?W/W數(shù)量級(jí)。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，提出一種紅外上轉(zhuǎn)換成像或探測(cè)器件及其實(shí)現(xiàn)方法，是基于紅外光子頻率上轉(zhuǎn)換的原理，該紅外探測(cè)或成像器件，大大提高LED的發(fā)光效率和器件的紅外上轉(zhuǎn)換效率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種紅外上轉(zhuǎn)換成像或探測(cè)器件，主要包括紅外上轉(zhuǎn)換器件和硅基光電探測(cè)或成像器件兩部分組成：

其中紅外上轉(zhuǎn)換器件將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外光子；

上轉(zhuǎn)換得到的近紅外光子由硅基光電探測(cè)或成像器件進(jìn)行接收探測(cè)；