CN1808730A - 利用铟镓氮发光二极管作为红外目标信号探测的成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用铟镓氮量子阱发光二极管作为红外目标信号探测的成像装置。该成像装置包括：二片透镜、分束片、低温杜瓦和InGaN量子阱发光二极管。红外目标源前进的方向上依次置有第一透镜、对红外光全透和可见光全反的分束片和可作为红外目标源探测用的置于低温杜瓦中的发光二极管；发光二极管发出的可见光图像的前进方向上依次置有对红外光全透和可见光全反的分束片和第二透镜。它是利用二极管在低温下，发光中心富In的InGaN量子点在发光的同时可对红外波长吸收，从而引起量子点的发光减弱。即可以通过发光二极管发出的可见光发生变化的空间位置与红外光照到的点的一一对应来实现对目标的红外信号探测。本发明的优点是：红外响应的读出采用人眼对发光二极管的发光强度的直接判读而实现，大大简化了成像装置的结构。
Description
技术领域
本发明涉及红外目标信号探测成像装置，具体是指一种利用铟镓氮(InGaN)量子阱发光二极管作为红外目标信号探测的成像装置。
背景技术
红外探测技术在空间科学，环境监测，夜视，跟踪及医学方面有广泛的应用。目前基于带间跃迁的碲镉汞(HgCdTe)红外探测器在红外成像装置上占主导地位。它的优点是具有较高的探测率和响应率，主要缺点是难以获得大面积电学和光学性质均匀的HgCdTe晶片，制造红外焦平面阵列不易。而近年来由于分子束外延技术的进展使得基于子带间跃迁的量子阱红外探测器有了很大发展。但量子阱红外探测器最大的不足是由于跃迁选择定则的限制，不能探测垂直入射光。因此有必要探索新的探测器件构成一个新的成像装置。人们已知由InGaN为阱的多量子阱发光二极管其发光中心是在阱的生长过程中自发形成的富In的InGaN量子点。若我们利用这个量子点同时实现对红外波长的吸收，引起该量子点的发光减弱。即可以通过发光二极管发出的可见光发生变化的空间位置与红外光照到的点的一一对应来实现对目标的红外信号探测，构成一个对目标信号探测的成像装置，其市场前景将是很诱人的。
发明内容
本发明的目的就是要提出一种利用InGaN量子阱发光二极管作为红外目标信号探测，实现人眼对红外成像图案直接观测的成像装置。
本发明的成像装置包括：二片透镜、分束片、低温杜瓦和InGaN量子阱发光二极管，其特征在于：红外目标源前进的方向上依次置有第一透镜3、对红外光全透和可见光全反的分束片4和可作为红外目标源探测用的置于低温杜瓦中的发光二极管1；发光二极管1发出的可见光图像的前进方向上依次置有对红外光全透和可见光全反的分束片4和第二透镜5。
红外目标源位于第一透镜3的焦点，红外目标源透过第一透镜3和分束片4，再通过低温杜瓦的窗口进入发光状态的InGaN量子阱发光二极管1，在发光二极管的发光面上形成被红外光照到的空间位置发光发生变化的可见光图像；该可见光图像经分束片4反射进入第二透镜5，人眼在第二透镜的焦点位置上可直接观测到发光二极管上的红外成像图案，由此构成一个红外探测成像装置。
所说的低温杜瓦当杜瓦工作于77K温度以下，发光二极管1可以作为探测8-10微米红外波段的探测器用；当工作温度于120K以下，可以作为探测3-5微米红外波段的探测器用。这是由于在发光二极管中的量子点基态子能级与量子点势垒间的能量差所决定的，该能量差就对应着探测的红外光子能量。当探测波段在8-10微米时，对应的红外光子能量较小，相应的量子点基态子能级与量子点势垒间的能量差较小，为此为了避免热辅助遂穿暗电流，工作温度要较低，通常需要77K。而当探测波段在3-5微米时，对应的红外光子能量相对大些，相应的量子点基态子能级与量子点势垒间的能量差也相对大些，为此同样可以避免热辅助遂穿暗电流，工作温度可以高些，通常取120K即可。
本发明基于的工作原理是：铟镓氮量子阱发光二极管在常温下工作，是一种发光器件，可以作为光源使用。而当其在低温下工作，可以作为红外探测器用。当在InGaN/AlGaN量子阱发光二极管的两端加上偏压时，在电场作用下，量子点结构形成的深陷阱能够有效捕捉并局限激子在此发光，即实现带到带的局域激子发光。量子点形成若干受限能级，在有光照情况下，量子点中的载流子可吸收红外光子而导致在量子点束缚态上的电子跃迁到连续态，通过连续态波函数的扩展性和量子阱的内建电场作用使其能够较容易地被分布在量子点周围的深能级俘获。而量子点周围的很多晶格缺陷引起的是非辐射复合中心，为此迁移出量子点的载流子多数将不再回到量子点，并通过非辐射复合而湮灭，不再对发光形成贡献。即红外光的辐照将引起量子点中载流子的减少，从而使得量子点的发光减弱。由于量子点是不迁移的，红外光与量子点作用后使量子点发光减弱，即只有被红外光照到的空间位置才会导致可见波段发光的变化，为此可见光发生变化的空间位置与红外光照的点是完全重合的。即在此可见光为亮背景，输出可见光减弱的空间分布就重复了输入红外辐射的空间分布。所以无需读出电路，人眼就可直接观测红外成像图案。
本发明的优点是：
1.与传统红外探测器相比，可以摆脱焦平面器件制作中的读出电路互连等复杂工艺，有利于大规模焦平面器件的制备。
2.较之于一般的窄禁带材料HgCdTe红外探测器难以获得大面积电学和光学性质均匀的HgCdTe晶片，GaN基材料制备工艺相对成熟。
3.与量子阱红外探测器相比，无跃迁选择定则限制，可以探测垂直入射的光，无需像量子阱探测器那样需要制作结构复杂的光栅，简化了器件结构。
4.较之于传统的低温红外探测器，由于采用的是阱中自发生长的量子点三维载流子限制结构，降低了热发射和暗电流，利于制造工作温度高的器件和提高探测器的光子采集效率。
5.对红外响应的读出采用人眼对发光二极管的发光强度的直接判读而实现，大大简化了成像装置的结构。
附图说明
图1为InGaN/AlGaN量子阱结构中单阱内量子点发光和红外光子吸收的能带和物理过程图。
图2为本发明的成像装置结构示意图。
具体实施方式
下面以发光波长为520nm的InGaN/AlGaN量子阱发光二极管作为红外探测器，结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
所说的InGaN/AlGaN量子阱发光二极管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，在Al2O3蓝宝石衬底上依次排列生长：
2000nm厚的GaN缓冲层；
300nm厚的掺杂浓度为5×1019cm-3的n+-GaN下电极层；
交替生长5个周期的15nm厚Al0.15Ga0.85N势垒层(6层)和5nm厚In0.4Ga0.6N势阱层(5层)，此形成阱中富In的InGaN量子点的多量子阱层；
250nm厚的掺杂浓度为5×1018cm-3的p+-GaN上电极层。
在此，阱中自发形成的量子点既是发光二极管的发光中心，又可作为红外光的吸收点。发光二极管的发光波长可由InxGa1-xN阱和AlyGa1-yN垒的厚度及In和Al的摩尔分数调节。
被吸收的红外光波长可由量子点的尺度进行调节。量子点的尺度与量子阱的生长温度有关，生长温度越高，量子点尺寸越大，量子点的基态能级也越低，从基态到连续态的能隙变大，吸收的红外波长变短。
具体探测过程为：InGaN/AlGaN量子阱发光二极管1置入低温杜瓦2中，并在二极管两端加上偏压。当红外目标源通过透镜3和分束片4进入发光二极管时，由于红外光子与发光二极管发光中心-量子点的耦合作用，使得出射的可见光发生变化的空间位置与红外光照的点是完全重合。这部分可见光再经过分束片4反射和透镜5聚焦到达人眼。此时，可见光亮背景上的暗图案就是人眼直接观测到的红外成像图案。
Claims (2)
1.一种利用铟镓氮发光二极管作为红外目标信号探测的成像装置，包括：二片透镜、分束片、低温杜瓦和InGaN量子阱发光二极管，其特征在于：
红外目标源前进的方向上依次置有第一透镜(3)、对红外光全透和可见光全反的分束片(4)和可作为红外目标源探测用的置于低温杜瓦中的发光二极管(1)；发光二极管(1)发出的可见光图像的前进方向上依次置有对红外光全透和可见光全反的分束片(4)和第二透镜(5)；
红外目标源位于第一透镜(3)的焦点，红外目标源透过第一透镜(3)和分束片(4)，再通过低温杜瓦(2)的窗口进入发光状态的InGaN量子阱发光二极管(1)，在发光二极管的发光面上形成被红外光照到的空间位置发光发生变化的可见光图像；该可见光图像经分束片(4)反射进入第二透镜(5)，人眼在第二透镜的焦点位置上可直接观测到发光二极管上的红外成像图案，由此构成一个红外探测成像装置。
2.根据权利要求1的一种利用铟镓氮发光二极管作为红外目标信号探测的成像装置，其特征在于：所说的低温杜瓦当杜瓦工作于77K温度以下，发光二极管(1)可以作为探测8-10微米红外波段的探测器用；当工作温度于120K以下，可以作为探测3-5微米红外波段的探测器用。
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