CN100460838C - 氧化锌基盲阳紫外探测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氧化锌基盲阳紫外探测装置，该装置从物方至像方按顺序由窄带反射滤光片、透镜、ZnO基多量子阱层、带通滤光片和Si基CCD5组成。所说的ZnO基多量子阱层是由交替生长30个周期的MgZnO势垒层/MgZnCdO过渡层/ZnCdO势阱层组成。调节各层Mg、Zn、Cd的组分，可使MgZnO势垒层和ZnCdO势阱层的禁带宽度分别对应于吸收的紫外光子能量和发出的可见光子能量。本发明的优点是：目标信号可以正入射，无需背入射。不需要加工作电压和Si基CCD的直接光学读出，这不仅提高了可靠性，还简化了系统结构。

Description

氧化锌基盲阳紫外探测装置
技术领域
本发明涉及紫外探测装置，具体是指一种利用氧化锌(ZnO)基量子阱结构将紫外光下转换成可见光并采用Si基CCD直接观察的探测装置。
背景技术
紫外辐射是燃烧的产物，火焰及喷气式飞机发动机的尾焰，碳氢化合物的燃烧能产生较强的紫外辐射。太阳是强大的紫外辐射源，经过大气衰减后，在地面和低空存在着太阳辐射的光谱盲区。在盲阳区对物体进行紫外辐射探测，可避免太阳紫外辐射源干扰。因此盲阳紫外探测器在军事等方面有广泛应用。传统的盲阳紫外探测器大多为GaN基紫外探测器。它的优点是具有较高的探测率和响应率，缺点是需加工作电压、目标信号采用背入射、输出信号采用读出电路输出。这不仅对器件的互联、读出电路提出了很高的要求，也使得系统的可靠性受到影响。因此有必要探索新的紫外探测系统。近年来，随着ZnO基量子阱材料制备工艺的成熟，已使得生长晶格匹配的量子阱结构成为可能。且知通过能带工程，在ZnO基材料中掺入不同组分的Mg、Zn、Cd，可使其禁带宽度横跨盲阳紫外区和可见光区。即可以通过渐变组分的ZnO基量子阱结构的器件，将紫外光下转换为可见光，实现Si基CCD的直接观测。与传统的GaN基探测器相比，ZnO基量子阱结构的器件不尽具有生长温度低、激子复合能高，较低的电子诱生缺陷的优点，还能实现不加工作电压、目标信号采用正入射和输出信号采用Si基CCD的直接观测，既简化了系统结构，又提高了探测器的可靠性。
发明内容
因此，本发明的目的就是要提出一种将紫外光下转换成可见光的ZnO基量子阱结构，并采用Si基CCD对紫外成像图案的直接观察的探测装置。
本发明的紫外探测装置包括：滤光片、透镜、ZnO基多量子阱层、Si基CCD。
探测装置从物方至像方按顺序由窄带反射滤光片1、透镜2、ZnO基多量子阱层3、带通滤光片4和Si基CCD 5组成。
目标信号经窄带反射滤光片1反射掉背景可见干扰光，紫外光经透镜2聚焦入射至ZnO基多量子阱层3，由ZnO基多量子阱层3下转换为可见光，然后经只有下转换的可见光可通过的带通滤光片4滤波，最后由Si基CCD 5接收直接观察。
所说的ZnO基多量子阱层3是由交替生长30个周期的MgZnO势垒层/MgZnCdO过渡层/ZnCdO势阱层组成。
调节各层的Mg、Zn、Cd的组分，可使MgZnO势垒层和ZnCdO势阱层的禁带宽度分别对应于吸收的紫外光子能量和发出的可见光子能量。
本发明基于的工作原理是：当目标信号经过窄带反射滤光片后，反射掉背景可见干扰光，紫外光经过透镜聚焦进入多量子阱层，势垒层吸收的紫外光子引起带间跃迁，产生可移动的自由电子和空穴。这些电子空穴的一部分在自建电场作用下注入阱中，在阱内电子与空穴形成激子再复合，发出可见光，实现了短波紫外到可见波段的下转换。然后再经过带通滤光片，仅使ZnO基多量子阱层下转换的可见光波段得以透过，滤掉未被量子阱势垒层吸收的可见光波段，最后由Si基CCD吸收，形成探测到的目标图象。如果入射的紫外辐射不均匀，垒中的电子空穴注入阱后，引起与之相应的输出可见光的强度也不均匀。即输出可见光的空间分布重复了输入紫外辐射的空间分布。也就是说通过这个装置实现了紫外光子到可见光子的下转换，把紫外图像转换成Si基CCD可以直接观测的图像，实现了对紫外辐射的探测。
本发明的优点是：
1.目标信号可以正入射，无需背入射。
2.采用光学读出，使得焦平面规模由Si基CCD决定，摆脱了读出电路制作和互连等复杂工艺，使工艺难度大大降低。
3.不需要加工作电压，系统的可靠性大大提高。
4.ZnO基材料具有更低的生长温度、更大的激子离化能，使得在室温下依然是激子发光，有效地提高了辐射复合效率，以及较低的电子诱生缺陷的优点。
附图说明
图1为MgZnO/MgZnCdO/ZnCdO多量子阱结构中紫外吸收和可见光子产生的能带和物理过程示意图。
图2为本发明的紫外探测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面以探测波长小于等于280nm的紫外盲阳区域探测装置为实施例，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
探测装置从物方至像方按顺序由窄带反射滤光片1、透镜2、ZnO基多量子阱层3、带通滤光片4和Si基CCD 5组成。
多量子阱3是利用半导体材料外延的典型技术，如分子束外延技术，金属有机化学气相沉积技术等，在Al2O3蓝宝石衬底上依次排列生长：
20nm厚的MgxZn1-xO(x＝0.3)势垒层，1nm厚的MgxZn1-x-yCdyO(x从0.3到0，y从0到0.3)过渡层；
交替生长30个周期的2nm厚的Zn1-xCdxO(x＝0.3)势阱层，20nm厚的MgxZn1-xO(x＝0.3)势垒层，1nm厚的MgxZn1-x-yCdyO过渡层。
将生长好的多量子阱去掉衬底，粘贴于带通滤光片4上。这样可避免Al2O3蓝宝石衬底对紫外光斑的散射，有利于Si基CCD对下转换的可见光形成清晰的图象
多量子阱的MgZnCdO过渡层必须很薄，其厚度不能超过2nm，以保证要探测的紫外波段只对盲阳区的紫外光子敏感。在此处MgZnCdO过渡层不仅有利于克服材料间的晶格失配，减少缺陷；更是因之形成了电势随材料生长方向的梯度缓变区，即内建电场区。这使得我们可以在没有外加电压的情况下，仅仅依靠内建电场就可更有效的抓获紫外光生载流子。
窄带反射滤光片1滤光波段的选择：为避免目标背景的干扰，选用的滤光波段要在ZnO基多量子阱层3下转换的中心波长左右各10纳米的光谱波段。根据本实施例采用的ZnO基多量子阱层结构，如果其下转换的中心波长在410nm，因此窄带反射滤光片1要选择能反射掉400-420nm可见光波段的滤光片。
带通滤光片4通光波段的选择：由于ZnO基多量子阱层3下转换的波段是带宽很窄的尖峰，为避免其它杂散光对Si基CCD直接观察的干扰，滤光波段应选择在量子阱下转换的中心波长左右各5纳米的光谱波段，使该波段的光能通过，由Si基CCD直接观察。

Claims (2)

1.一种氧化锌基盲阳紫外探测装置，包括：滤光片、透镜、ZnO基多量子阱层和Si基CCD，其特征在于：
探测装置从物方至像方按顺序由窄带反射滤光片(1)、透镜(2)、ZnO基多量子阱层(3)、带通滤光片(4)和Si基CCD(5)组成；
目标信号经窄带反射滤光片(1)反射掉背景可见光，紫外光经透镜(2)聚焦入射至ZnO基多量子阱层(3)，由ZnO基多量子阱层(3)下转换为可见光，然后经只有下转换的可见光可通过的带通滤光片(4)滤波，最后由Si基CCD(5)接收直接观察；
所说的ZnO基多量子阱层(3)是由交替生长30个周期的MgZnO势垒层/MgZnCdO过渡层/ZnCdO势阱层组成。
2.根据权利要求1的一种氧化锌基盲阳紫外探测装置，其特征在于：所说的MgZnO势垒层为MgxZn1-xO势垒层，其中x＝0.3，厚度为20nm；MgZnCdO过渡层为MgxZn1-x-yCdyO，其中x从0.3到0，y从0到0.3，厚度为1nm；ZnCdO势阱层为Zn1-xCdxO，其中x＝0.3，厚度为2nm。
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