CN102832289B

CN102832289B - 基于光子频率上转换的太赫兹成像器件、转换方法

Info

Publication number: CN102832289B
Application number: CN201210287273.XA
Authority: CN
Inventors: 刘惠春; 杨耀; 张月蘅
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2032-08-13
Also published as: CN102832289A

Abstract

本发明公开了一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件，包括太赫兹上转换器件和硅基成像器件，其中，太赫兹上转换器件用于将太赫兹二维图像信号转换为近红外或者可见光二维图像信号;硅基成像器件用于将转换得到的近红外或者可见光二维图像信号进行接收探测。其所要解决的技术问题是提供一种无像元太赫兹成像器件。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，然后利用硅基成像器件实现探测和成像，这一方法能够大大降低太赫兹成像的技术难度和成本。

Description

基于光子频率上转换的太赫兹成像器件、转换方法

技术领域

本发明涉及一种半导体太赫兹成像技术，具体涉及一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件。

背景技术

太赫兹波是是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段介于微波与红外之间。上个世纪80年代以前，人们对太赫兹波段的研究很少，主要是限制因素在于没有性能优良效果灵敏的太赫兹辐射源和探测成像器件。进入上个世纪80年代以后，随着新材料和新技术的发展，尤其是特别是超快技术和半导体量子器件的发展，太赫兹技术得以迅速发展，在全世界范围内涌现了太赫兹研究的热潮。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，而日本更是将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

太赫兹成像技术在国家安全、机场安检、健康体检、痕量物质分析等各方面具备重要的应用前景，意义重大。目前尚且没有性能优良同时价格低廉的太赫兹成像设备。现有的太赫兹成像技术的核心器件为二维红外焦平面阵列，由数万个单元探测器的集成而得，将其置于光学系统的焦平面上，直接获取二维红外图像。焦平面阵列通常采用混成式结构，即探测器阵列与信号读出电路基于不同材料体系，分别生长制备，此后两者再通过特殊工艺集成获得。探测器阵列中的每一个单元都通过电极（通常为铟柱）与读出电路相联。混成式红外焦平面阵列结构复杂，技术难度大、成本昂贵。在此前提下，寻求一种性能优良、成本低廉的太赫兹成像方法对太赫兹成像的普及应用具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件。基于光子频率上转换的概念，可以将入射的太赫兹光转换为近红外光或者可见光，然后利用CCD或者CMOS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。其核心在于，将太赫兹光子转换为近红外光子或者可见光子，然后利用硅基近红外成像器件进行探测成像。

一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件，包括太赫兹上转换器件和硅基成像器件，其中，

太赫兹上转换器件：用于将太赫兹二维图像信号转换为近红外或者可见光二维图像信号;

硅基成像器件：用于将转换得到的近红外或者可见光二维图像信号进行接收探测。

其中，太赫兹上转换器件包括太赫兹探测器和发光二极管，其中：太赫兹探测器用以实现对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子。

较佳地，太赫兹探测器为半导体量子阱太赫兹探测器。

将太赫兹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设置，再通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起，或，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，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。

硅基成像器件用来探测红外上转换器件所发出的近红外光子，其为以下一种：若是用来实现红外探测，所用的硅基光电探测或成像器件为硅光电探测器；若是用来实现红外成像，所用硅基光电探测或成像器件为硅CCD或者硅CMOS器件。

一种基于光子频率上转换的太赫兹成像方法，包括：

将太赫兹光子转换为近红外光子或者可见光子，

利用硅基近红外成像器件进行探测成像。

其进一步包括：太赫兹探测器对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子；硅基成像器件探测红外上转换器件所发出的近红外光子或可见光光子。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.与现有的太赫兹成像技术——焦平面探测器——相比较，本发明的太赫兹上转换成像技术无需制备分离像元，也无需制备读出电路，可以大大降低成像技术难度和成本。

2.本发明中的太赫兹上转换器件基于半导体III-V材料，可以利用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）直接在半导体衬底上生长，然后利用光刻、刻饰等标准的半导体技术手段制备，流程标准，有益于大批量、低成本生产。

3.优化条件下，本发明的太赫兹上转换器件可以具备较高的性能，获得很好的信噪比和成像效果。

附图说明

图1是本发明的太赫兹上转换成像系统示意图之一

图2是本发明的太赫兹上转换成像系统示意图之二

图3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

在可见光和1微米以下的近红外波段，具备性能优异，价格低廉的成像器件，即为硅电荷耦合器件(Si CCD)，具有高速度、高灵敏度和宽动态范围等特点。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。

针对此问题，我们提出一种新的太赫兹成像思路——太赫兹上转换成像。基于光子频率上转换的概念，可以将入射的太赫兹光转换为近红外光或者可见光，然后利用CCD或者CMOS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。利用该方法实现太赫兹成像，无需制备二维太赫兹焦平面阵列，不需要设计特殊的读出电路，可以显著降低太赫兹成像的技术难度和成本，具备重要的实用价值。

图1显示了本发明的太赫兹上转换成像系统示意图之二，主要包括太赫兹上转换器件（1），光具组（2），和硅基成像器件（3）这三部分组成。其中太赫兹上转换器件（1）将太赫兹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成像器件（3）进行接收探测，太赫兹上转换器件和硅基成像器件之间利用光具组（2）进行光互联。

太赫兹上转换器件1或以包括太赫兹探测器和发光二极管，其中：太赫兹探测器用以实现对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子。

另外，太赫兹探测器可以为半导体量子阱太赫兹探测器。

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显示了本发明的太赫兹上转换成像系统示意图之一，主要由太赫兹上转换器件（4）和硅基成像器件（6）这两部分组成，其中太赫兹上转换器件（4）将太赫兹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成像器件（6）进行接收探测。

太赫兹上转换器件（4）和硅基成像器件（6）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.将太赫兹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；

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（5）进行粘合；

以下就说明基于光子频率上转换的太赫兹成像器件如何制备出来的方法。图3显示了本发明的晶片键合技术制备的太赫兹上转换器件的一个实例，在GaAs衬底（7）上依次生长：

（8）未掺杂的GaAs缓冲层

（9）n型掺杂的GaAs下电极层

（10）势阱太赫兹量子级联激光器激活层，具体包括：

4.8nm厚度的Al_0.15Ga_0.85As势垒层。

9.6nm厚度的GaAs势阱层

2nm厚度的Al_0.15Ga_0.85As势垒层

7.4nm厚度的GaAs势阱层

4.2nm厚度的Al_0.15Ga_0.85As势垒层

16.1nm厚度的GaAs势阱层，势阱层中心的3.6nm进行Si掺杂，掺杂浓度为10¹⁷cm^-3

将上述结构重复若干个周期，量子阱探测器的光吸收系数正比于周期数，为实现较好的探测效果，周期数一般需要大于10

（11）Al_xGa_1-xAs势垒层；

（12）400nm厚的p型掺杂GaAs，掺杂成分为Ge

（13）350nm厚度的AlGaAs层（x=0.1），Be掺杂浓度2×10¹⁹cm^-3

（14）50nm的渐变AlGaAs层（x=0.1至0.3），Be掺杂浓度为2×10¹⁹cm^-3；×10¹⁹

（15）100nm的AlGaAs层（x=0.3），Be掺杂浓度渐变，渐变范围为2×10¹⁹cm^-3至2×10¹⁸cm^-3；

（16）40nm的渐变AlGaAs层（x=0.3至0.15），未掺杂；

（17）400nm的GaAs层，LED发光功能层，Be掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

（18）40nm的渐变AlGaAs层（x=0.15至0.3），未掺杂；

（19）100nm的AlGaAs层（x=0.3），Si掺杂浓度为1×10¹⁸cm^-3；

（20）50nm的渐变AlGaAs层（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸cm^-3

（21）350nm的AlGaAs层（x=0.3至0.1），Si掺杂浓度为2.5×10¹⁸cm^-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（9）和（21）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太赫兹光转换为近红外光的太赫兹上转换器件。

Claims

1.一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件，其特征在于，包括太赫兹上转换器件和硅基成像器件，其中，

太赫兹上转换器件：用于将太赫兹二维图像信号转换为近红外或者可见光二维图像信号；

硅基成像器件：用于将转换得到的近红外或者可见光二维图像信号进行接收探测；

太赫兹上转换器件包括太赫兹探测器和发光二极管，其中：太赫兹探测器用以实现对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子；

太赫兹探测器为半导体量子阱太赫兹探测器。

2.如权利要求1所述的太赫兹成像器件，其特征在于，将太赫兹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设置，再通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起。

3.如权利要求1所述的太赫兹成像器件，其特征在于，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，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设置。

4.如权利要求1所述的太赫兹成像器件，其特征在于，

硅基成像器件用来探测红外上转换器件所发出的近红外光子，其为以下一种：

若是用来实现红外探测，所用的硅基光电探测或成像器件为硅光电探测器；

若是用来实现红外成像，所用硅基光电探测或成像器件为硅CCD或者硅CMOS器件。

5.一种基于光子频率上转换的太赫兹成像方法，其特征在于，包括：

将太赫兹光子转换为近红外光子或者可见光子，

利用硅基近红外成像器件进行探测成像；

该方法进一步包括：

太赫兹探测器对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子；

硅基成像器件探测红外上转换器件所发出的近红外光子或可见光光子。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

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，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设置。