CN102646747A

CN102646747A - 红外上转换成像或探测器件及其实现方法

Info

Publication number: CN102646747A
Application number: CN2012101194541A
Authority: CN
Inventors: 刘惠春; 沈文忠; 杨耀
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2012-08-22

Abstract

本发明提供一种集成红外上转换成像或探测器件及其实现方法，它基于红外光子频率上转换的原理，将红外光信号转换为近红外光子，然后利用硅基红外探测和成像器件实现探测和成像。本发明所提供的器件和实现方法，能够大大降低红外探测和成像的成本。除此之外，与一般的红外上转换探测和成像器件相比较，本发明的上转换效率显著提高，同时还具备结构简单、体积小、成本低等优点。

Description

红外上转换成像或探测器件及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种半导体红外探测和成像器件，具体涉及一种基于红外光子频率上转换的红外成像或探测器件及其实现方法。

背景技术

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，就总是在不断地发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器的信号形成与景物辐射分布相对应的红外图像。

硅电荷耦合器件(Si CCD)是一种重要的固态成像器件。上世纪60 年代末期，美国贝尔实验室的G. E. Smith 等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型, 同时预言了CCD 器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。经过近几十年的发展，多种类型规格的线阵CCD 传感器已经研制成功，它们一般具有高速度、高灵敏度和宽动态范围等特点。在可见光到近红外波段(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，人们也开发出了其他硅基成像器件，包括互补型金属氧化物半导体（CMOS）器件，它具备更低的成本和能耗，更好的性价比和自由度，因而越来越成为主流的成像技术。在紫外及波长更短的波段，可以通过在硅基成像器件表面涂一层磷光物质来实现探测成像。然而，对于波长超出硅基器件响应范围的红外光，目前还没有一种普遍采用的、低成本、有效的成像器件。

在中红外至远红外波段发展较为成熟的传统探测器有碲化铟（InSb）红外探测器，和碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。HgCdTe 和InSb 红外焦平面阵列在制备中对材料的要求非常苛刻，因而成品率甚低，且价格昂贵；又由于其电子有效质量小等固有属性，其隧道电流较大，造成与CCD 耦合困难，信号处理和使用不便。最近三十年来，随着低维材料技术的发展，出现了量子阱红外探测器这一新技术，并且得到快速发展和广泛应用，是在半导体超晶格物理和分子束外延的基础上实现的，在红外成像方面的应用也越来越多。但是需要指出的是，上述的主流红外成像大都是基于红外探测器阵列及读出电路系统的，由于读出电路的复杂及昂贵，导致红外成像的成本很高，因而寻求一种低成本，有效的红外成像方法对红外成像的普及应用具有重要的意义。

一种新的思路是利用红外上转换器件来实现红外成像，它基于光子频率上转换的概念，可以将入射的长波长的光转换为短波长的光，然后用硅电荷耦合器件对转换过来的短波长光进行探测，即可实现长波长光的上转换成像。利用该方法实现红外成像，不需要设计特殊的读出电路，因而降低了红外成像的成本。红外上转换器件通常包含红外探测器和发光二极管两个部分。

红外上转换器件最重要的技术参数是上转换效率，它的定义是出射的高能量红外光通量与入射的低能量红外光通量只比，决定于红外探测器的响应率和发光二极管的发光效率。目前红外探测器这一部分已经发展到较为成熟的程度，例如近红外探测器的吸收效率通常达90%以上，响应率大约为1A/W。在LED方面，经过特别优化的LED的内量子效率可接近100%，也就是说，对于每一对注入到复合区的电子空穴对，就可以产生一个光子。但是在实际的LED 结构中，由于半导体材料的折射率大于空气的折射率，在激活层中复合产生的光子向外发射时将发生内部全反射，只有一小部分光子可以直接发射出去，大部分发射角大于临界角的光子将被困在LED 中。上转换器件中最成熟的LED材料是砷化镓（GaAs）材料，其折射率为n≈3.54，光子发射的临界角非常小。由Snell 定律知光子的发射方向只有在4π/(4×3.542)立体角范围内，才可以直接发射出去，因而光子直接出射的效率只有约2%。故而LED的实际发光效率很低，约为0.02 W/A。综合下来，器件的上转换效率也很低，约为百分之一 W/W数量级。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提出一种红外上转换成像或探测器件及其实现方法，是基于红外光子频率上转换的原理，该红外探测或成像器件，大大提高LED的发光效率和器件的红外上转换效率，且结构简单、体积小、成本低。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种红外上转换成像或探测器件，主要包括红外上转换器件和硅基光电探测或成像器件两部分组成：

其中红外上转换器件将红外光信号转换为近红外光子；

上转换得到的近红外光子由硅基光电探测或成像器件进行接收探测；

红外探测器和硅基光电探测或成像器件集成在一起，集成为一个整体，经红外上转换器件上转换而获得的近红外光子可以直接耦合进入硅基光电探测或成像器件，为后者接收和探测。

具体的集成方法包括：

将红外上转换器件的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，然后通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起；晶片键合是一种先进的半导体键合技术，能够将不同晶格常数的半导体外延面结合在一起，同时保留材料原有的光电特性。

或者，将红外上转换器件的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，然后将它们紧压在一起，中间只留有微米尺寸的间隙，在间隙见利用光胶进行粘合；GaAs材料和硅材料的红外折射率都大于3，理想条件下，利用折射率和这两种材料差不多的光粘胶，能够获得最好的光耦合效率。但是市面上的光粘胶的折射率大多为1.3左右，基本没有折射率为3以上的光粘胶。所幸的是，在光粘胶层厚度足够小，能够和所透过的红外光波长相比较的时候，即使光粘胶的折射率和GaAs材料和硅材料差别很大，根据量子力学原理，光子会在光粘胶层中发射隧穿，仍然具备较高的透过率。

优先的，红外上转换器件由红外探测器和发光二极管两个部分组成；

根据所需转换的红外光波长，该红外探测器可以是中远红外探测器，如利用子带间跃迁的量子阱红外探测器；也可以是近红外探测器，如利用带间跃迁的InGaAs pin红外探测器。

由红外探测器所产生的光电子会迁移到LED的工作区与空穴复合，产生波长1微米以下的近红外光子。

优先的，利用硅基光电探测或成像器件来探测红外上转换器件所发出的近红外光子。若是用来实现红外探测，所用的硅基光电探测或成像器件可以是硅光电探测器；若是用来实现红外成像，所用硅基光电探测或成像器件可以为硅CCD或者硅CMOS器件。

本发明具有以下优点：

1. 不同于传统用于红外成像的焦平面探测器，本发明的器件无分离相元，大大降低了技术难度和成本。

2. LED所发出的光子有相当大的比例可以为硅器件所收集，这样就大大提高了上转换效率，提高红外成像质量。

在本发明中，红外光子频率转换器件与硅基红外探测和成像器件集成为一个整体。与一般的红外上转换探测和成像器件相比较，具备结构简单、体积小、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明的红外上转换探测或成像器件结构图；

图2是利用晶片键合技术制备的中红外上转换成像器件实例；

图3是利用光胶粘合制备得到的近红外上转换成像器件实例。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1显示了本发明的红外上转换成像或探测器件，主要由红外上转换器件1和硅基光电探测或成像器件2这两部分组成：

其中红外上转换器件1将红外光信号转换为近红外光子；

上转换得到的近红外光子由硅基光电探测或成像器件2进行接收探测；

红外探测器1和硅基光电探测或成像器件2集成在一起，集成为一个整体，经红外上转换器件上转换而获得的近红外光子可以直接耦合进入硅基光电探测或成像器件。具体的集成方法包括：

a. 将红外探测器LED的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，然后通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起；

b. 或者，将红外探测器LED的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，然后将它们紧压在一起，中间只留有微米尺寸的间隙，在间隙见利用光胶进行粘合；

图2显示了本发明的晶片键合技术制备的中红外上转换成像器件实例，在GaAs衬底3上依次生长：

未掺杂的GaAs缓冲层4；

n型掺杂的GaAs下电极层5；

先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层6；其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，所述GaAs势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于2×10¹² cm^-2；

Al_xGa_1-xAs势垒层7；

400 nm厚的p型掺杂GaAs 8，掺杂成分为Ge；

350 nm厚度的AlGaAs层9（x=0.1），Be掺杂浓度2×10¹⁹ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层（x=0.1至0.3），Be掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3；×10¹⁹¹⁰

100 nm的AlGaAs层11（x=0.3），Be掺杂浓度渐变，渐变范围为2×10¹⁹ cm^-3至2×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层12（x=0.3至0.15），未掺杂；

400 nm的GaAs层，LED发光功能层13，Be掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层14（x=0.15至0.3），未掺杂；

100 nm的AlGaAs层（x=0.3）15，Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层16（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3；

350 nm的AlGaAs层17（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3。

随后，利用标准的半导体工艺（光刻、刻蚀、切割、封装等）制备尺寸和形状符合要求的器件，在电极层5和17可以沉积电极，引出引线，用以对器件施加偏压。这样，我们就获得了能够将中红外光转换为近红外光的中红外上转换器件。

接下来，对上述中红外上转换器件的顶层17进行打磨清洗，随后，利用晶片键合技术将其与背入射的硅CCD18结合在一起，所用到的硅CCD为背入射型光电器件。

利用上述中红外上转换成像器件，能够直接实现对物体的中红外成像。

图3显示了本发明的利用光胶粘合制备的近红外上转换成像器件实例，其实施方案为：

在GaAs衬底3上依次生长

未掺杂的GaAs缓冲层19；

400 nm厚的n型掺杂的GaAs20，掺杂成分为Si；

500 nm厚的GaNAsSb光吸收层21，其中N和Sb的掺杂浓度分别为3.3% 和 8.0%；

400 nm厚的p型掺杂GaAs22，掺杂成分为Ge；

350 nm厚度的AlGaAs层23（x=0.1），Be掺杂浓度2×10¹⁹ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层24（x=0.1至0.3），Be掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3；

100 nm的AlGaAs层25（x=0.3），Be掺杂浓度渐变，渐变范围为2×10¹⁹ cm^-3至2×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层26（x=0.3至0.15），未掺杂；

400 nm的GaAs层27，LED发光功能层，Be掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层28（x=0.15至0.3），未掺杂；

100 nm的AlGaAs层29（x=0.3），Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层30（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3；

350 nm的AlGaAs层31（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3。

随后，利用标准的半导体工艺（光刻、刻蚀、切割、封装等）制备尺寸和形状符合要求的器件，在电极层20和31上沉积电极，引出引线，用以对器件施加偏压。这样，我们就获得了能够将近红外光转换为1微米以下近红外光的近红外上转换器件。

接下来，对上述中红外上转换器件的顶层31进行打磨清洗，随后，利用光粘胶层32将其与背入射的硅CCD33结合在一起。粘合时，中红外上转换器件的顶层与背入射硅CCD的背面（没有相元的一面）相互结合。

上述设计给出了本发明的实施例，作为具体的例子，设计中对各层组分、厚度、掺杂浓度等参数给出了详细的数据，利用这些特别设计的参数可以实现特定情况下的优化性能。但本发明的内容不仅限于上述参数，基于本发明的原理，我们可以利用功能结构和参数来实现本发明。

利用上述中红外上转换成像器件，能够直接实现对物体的近红外成像。

Claims

1.一种红外上转换成像或探测器件，其特征在于，主要包括红外上转换器件和硅基光电探测或成像器件两部分组成：

其中红外上转换器件将红外光信号转换为近红外光子；

上述上转换得到的近红外光子由硅基光电探测或成像器件进行接收探测；

红外上转换器件和硅基光电探测或成像器件集成为一个整体，经红外上转换器件上转换而获得的近红外光子可以直接耦合进入硅基光电探测或成像器件。

2.如权利要求1所述的红外上转换成像或探测器件，其特征在于，所述红外上转换器件由红外探测器和发光二极管两个部分组成，其中红外探测器用以实现对红外光子的接收和探测，将红外光信号转化为电信号。

3.如权利要求2所述的红外上转换成像或探测器件，其特征在于，所述红外探测器可以是中远红外探测器，也可以是近红外探测器。

4.如权利要求1所述的红外上转换成像或探测器件，其特征在于，所述硅基光电探测或成像器件是硅光电探测器，用来实现红外探测。

5.如权利要求4所述的红外上转换成像或探测器件，其特征在于，所述硅基光电探测或成像器件是硅CCD或者硅CMOS器件，用来实现红外成像。

6.如权利要求5所述的红外上转换成像或探测器件，其特征在于，所述硅CCD或者硅CMOS为背入射型光电器件。

7.如权利要求1所述的红外上转换成像或探测器件的实现方法，其特征在于，所述集成为一个整体的红外上转换器件和硅基光电探测或成像器件，是将红外上转换器件的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，然后通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起。

8.如权利要求7所述的红外上转换成像或探测器件的实现方法，其特征在于，具体是在GaAs衬底（3）上依次生长：

未掺杂的GaAs缓冲层（4）；

n型掺杂的GaAs下电极层（5）；

先势垒后势阱交替生长多个周期形成的多量子阱层（6）；其中，所述的多量子阱层，每个周期包括一个Al_xGa_1-xAs势垒层和一个GaAs势阱层，所述GaAs势阱层中进行n型掺杂，所掺杂质为硅，其掺杂浓度高于2×10¹² cm^-2；

Al_xGa_1-xAs势垒层（7）；

400 nm厚的p型掺杂GaAs（8），掺杂成分为Ge；

350 nm厚度的AlGaAs层（9），Be掺杂浓度2×10¹⁹ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层（10），Be掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3；

100 nm的AlGaAs层（11），Be掺杂浓度渐变，渐变范围为2×10¹⁹ cm^-3至2×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层（12），未掺杂；

400 nm的GaAs层（13），LED发光功能层，Be掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层（14），未掺杂；

100 nm的AlGaAs层（15），Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层（16），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3；

350 nm的AlGaAs层（17），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3；

随后，利用标准的半导体工艺制备尺寸和形状符合要求的器件，在电极层（5）和（17）上沉积电极，引出引线，用以对器件施加偏压，这样，就获得了能够将中红外光转换为近红外光的中红外上转换器件；

接下来，对上述中红外上转换器件的顶层（17）进行打磨清洗，随后，利用晶片键合技术将其与背入射的硅CCD（18）结合在一起，所用到的硅CCD为背入射型光电器件。

9.如权利要求1所述的红外上转换成像或探测器件的实现方法，其特征在于，所述集成为一个整体的红外上转换器件和硅基光电探测或成像器件，是将红外探测器LED的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，然后将它们紧压在一起，中间只留有微米尺寸的间隙，在间隙见利用光胶进行粘合。

10.如权利要求9所述的红外上转换成像或探测器件的实现方法，其特征在于，具体是在GaAs衬底（18）上依次生长：

未掺杂的GaAs缓冲层（19）；

400 nm厚的n型掺杂的GaAs（20），掺杂成分为Si；

500 nm厚的GaNAsSb光吸收（21）层，其中N和Sb的掺杂浓度分别为3.3% 和 8.0%；

400 nm厚的p型掺杂GaAs（22），掺杂成分为Ge；

350 nm厚度的AlGaAs层（23），Be掺杂浓度2×10¹⁹ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层（24），Be掺杂浓度为2×10¹⁹ cm^-3；

100 nm的AlGaAs层（25），Be掺杂浓度渐变，渐变范围为2×10¹⁹ cm^-3至2×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层（26），未掺杂；

400 nm的GaAs层（27），LED发光功能层，Be掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

40 nm的渐变AlGaAs层（28），未掺杂；

100 nm的AlGaAs层（29），Si掺杂浓度为1×10¹⁸ cm^-3；

50 nm的渐变AlGaAs层（30），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3；

350 nm的AlGaAs层（31），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸ cm^-3；

随后，利用标准的半导体工艺制备尺寸和形状符合要求的器件，在电极层（20）和（31）上沉积电极，引出引线，用以对器件施加偏压，这样，就获得了能够将近红外光转换为1微米以下近红外光的近红外上转换器件；

接下来，对上述中红外上转换器件的顶层（31）进行打磨清洗，随后，利用光粘胶层（32）将其与背入射的硅CCD（33）结合在一起，粘合时，中红外上转换器件的顶层与背入射硅CCD的背面相互结合。