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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Hochkonvertierung von
IR Energie.
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Hintergrund der Erfindung
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Infrarot-Bildgebung
wird in verschiedensten Anwendungen umfassend verwendet, was, um
einige zu nennen, Nachtsicht-, Überwachungs-,
Such- und Rettungsanwendungen, Fernabtastung und vorbeugende Wartung
beinhaltet. Bildgebungskomponenten, die diese Anwendungen ermöglichen,
werden typischerweise aus HgCdTe oder InSb Fokalebenenarrays ("focal plane arrays") aufgebaut. Diese
Fokalebenenarrays sind bekanntlich Pixel abbildende Komponenten,
bei denen ein Arrayelement insgesamt auf ein oder mehrere Schaltkreiselemente
abgebildet wird. Solche Fokalebenenarrays sind jedoch schwierig
herzustellen und teuer. Quantentopf-Infrarot-Photodetektoren ("quantum well infrared
photodetectors",
QWIPs) können
mittleres und fernes Infrarotlicht detektieren, wobei ein Ausgangsstrom
als Ergebnis bereitgestellt wird. Solchen Komponenten war es jedoch
nicht möglich,
erfolgreich in effizienten und kostengünstigen Arrays verwendet zu
werden, um einen zweckmäßigen Bildgebungsdetektor
zur Verfügung
zu stellen. QWIP-Komponenten werden in dem am 10. Oktober 1989 der
Universität
von Pittsburgh erteilten
US-Patent
Nr. 4,873,555 und in dem am 16. Januar 1990 der American
Telefon and Telegraph Company, AT&T
Bell Laboratories erteilten
US-Patent
Nr. 4,894,526 beschrieben. Das letztgenannte Patent beschreibt
eine Komponente verbesserter Effizienz, die eine Reihe von Quantentöpfen verwendet.
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Eine
Verbesserung dieser frühen
Technologien wurde von dem Anmelder H. C. Liu in dem
US-Patent 5,567,955 offenbart, das
am 22. Oktober 1996 dem National Research Council of Canada erteilt
wurde, worin die vertikale Integration einer lichtemittierenden
Diode (LED) mit einem QWIP beschrieben ist. Strom von der QWIP-Komponente, der aus dem
Einfall von fernem Infrarot (FIR) resultiert, veranlasst die LED
nahe Infrarot (NIR) Energie zu emittieren. Diese Energie kann effizient
von einem Silizium CCD detektiert werden, wodurch sich ein hoch
effizienter Detektor ergibt. In dem oben erwähnten Patent beschreibt der
Anmelder einen FIR zu NIR Energieumwandler, der sich aus einem QWIP-Photodetektor zusammensetzt,
der vertikal mit einer LED integriert ist. Die Integration ergibt
sich aus einer epitaktischen Aufbringung des LED-Materials über den
QWIP-Materialien. Die von dem Anmelder in diesem früheren
US-Patent 5,567,955 beschriebene
Komponente betrifft eine transmissive Komponente, die ein im Wesentlichen
transparentes Substrat hat.
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In
dem
US-Patent 5,567,955 beschreibt
der Anmelder H. C. Liu ein System, das "pixelig" ist, bei dem eine Mehrzahl von QWIP-LEDs
auf einer einzigen Komponente nebeneinander gefertigt sind. Die QWIP-LED-Elemente
sind in der Form eines Arrays von dicht gepackten Elementen gezeigt.
Im Betrieb tritt die zu detektierende Energie der FIR Wellenlänge durch
das transparente Substrat
3 hindurch und wird von jedem
Unter-QWIP detektiert, das der Energie ausgesetzt ist. Die resultierenden
Photoströme treten
durch die damit verbundenen Unter-LEDs hindurch und veranlassen
diese, Energie von z. B. NIR zu emittieren. Diese NIR Energie wird
von dem CCD detektiert und wird zur Anzeige in einer allgemein bekannten
Art und Weise verarbeitet. In dieser Komponente nach dem Stand der
Technik stellt jede QWIP-LED ein einzelnes Informationspixel an
einen oder mehrere CCD-Detektoren bereit. Obwohl diese Komponente
ihre beabsichtigte Funktion erfüllt,
stellte sie sich als kompliziert, schwierig herzustellen und kostspielig
heraus.
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Verfahren
zur Herstellung von GaA-basierten QWIPs sind weitgehend bekannt
und wurden in den zitierten Patenten erläutert. Das
US-Patent 4,873,555 lehrt die grundlegenden
Verfahren zur Herstellung eines Einzeltopf ("single well") Detektors und führt die neue Idee Intraband-
oder Zwischenunterbandübergänge ("intraband or intersubband
transitions") zur
IR-Detektion zu verwenden ein. Das
US-Patent
4,894,526 befasst sich mit einem Mehrfachquantentopf-Detektor.
Die Einzelheiten der Physik von QWIPs sind in dem Überblickartikel
von Liu zu finden, der als ein Buchkapitel in "Long Wavelength Infrared Detec tors", editiert von Razeghi,
veröffentlicht
ist. GaAs-basierte
LEDs und Si CCD sind vielerorts erhältliche, kommerzielle Produkte
und die grundlegende Physik und Funktionsweise dieser Geräte wird
in Standardtextbüchern
erläutert,
z. B. in den Abschnitten 12.3 und 7.4 aus "Physics of Semiconductor Devices" von Sze.
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Kürzlich wurde,
wie von Liu et. al. in Electron. Lett., Vol. 31, Seiten 832–833, 1995,
veröffentlicht, ein
GaAs-basierter QWIP, der bei einer Hauptwellenlänge von 9 μm arbeitet, mit einer GaAs-basierten LED
in der nahen Infrarotregion integriert. Die in dieser Druckschrift
beschriebene Einzelelementkomponente ist funktionsmäßig ein
IR zu NIR Hochkonvertierer. Das einfallende IR verursacht eine Erhöhung in der
NIR-Emissionsintensität. Das Funktionsprinzip dieser
Komponente wird unten zusammengefasst. Ein konventioneller QWIP
arbeitet als ein Photoleiter, d. h. sein Widerstand ändert (üblicherweise
vermindert) sich wenn IR-Licht geeigneter Wellenlänge auf den
QWIP geworfen wird. Eine Vorspannung wird benötigt, so dass der QWIP an seinem
optimalen Detektionspunkt arbeitet. Eine Standard-LED emittiert Licht,
wenn sie nahe oder über
die Flachbandbedingung ("flat
band condition")
vorgespannt ist. Moderne III-V epitaktische Beschichtungstechniken
wie z. B. GaAs-basierte
Molekularstrahlepitaxie (MBE) kann sowohl einen QWIP als auch eine
LED auf demselben Wafer in einem einzigen Stapel wachsen. Wenn man
einen QWIP und eine LED durch Wachsen zusammenstapelt, erhält man eine
in Reihe verbundene QWIP-LED. Anlegen einer Vorspannung in Durchlassrichtung
an diese serielle Komponente führt
dazu, dass sowohl der QWIP als auch die LED in ihre Betriebszustände versetzt
werden.
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Auch
in "Pixelless infrared
imaging utilizing a p-type quantum well infrared photodetector integrated
with a light emitting diode" von
L. B. Allard, Appl. Phys. Lett. 70(21), 26. Mai, 1997, sind GaAs-basierte QWIPs
und GaAs LEDs offenbart.
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1 illustriert
schematisch einen QWIP
1 nach dem Stand der Technik, der,
wie in dem oben genannten
US-Patent
Nr. 4,894,526 beschrieben, eine Reihe von Quantentöpfen hat,
die epitaktisch auf einem Substrat
3 aufgewachsen sind.
Eine LED
5 ist epitaktisch auf dem QWIP aufgewachsen. Das Substrat
3 ist
ausreichend dünn
und ausreichend transparent (d. h. 500 μm), um FIR Energie zu erlauben,
durch es hindurch auf den QWIP
1 zu treten. Es sollte bemerkt
werden, dass der Begriff FIR Energie in dieser Beschreibung dazu
bestimmt sein soll, mittlere infrarote (MIR) Energie von 3–12 μm Wellenlänge zu beinhalten.
FIR und MIR wird somit in dieser Beschreibung austauschbar verwendet.
Die NIR-Wellenlänge
beträgt
ungefähr
800–1000
nm. Auf das Anlegen eines Biasstroms hin, z. B. von einer Batterie
7 über einen
Lastwiderstand
9, an den in Reihe gestapelten QWIP und
die LED, tritt derselbe Strom durch beide hindurch. FIR generiert
einen Photostrom in der QWIP-Komponente, der in die LED eintritt.
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Dieser
Photostrom rührt
von dem externen Biasstrom her, da die QWIP-Komponente den Widerstand ändert (üblicherweise
vermindert), wenn infrarotes Licht von geeigneter Wellenlänge auf
den QWIP geworfen wird. Dieser Photostrom generiert oder erhöht NIR-Emission
von der LED. Diese Emission kann von einem Detektor detektiert werden,
der das Wärmebildgebungsgerät komplettiert.
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Absorption
von Infrarotlicht bei λMIR resultiert in einer Erhöhung des
Stromflusses in der QWIP-Komponente.
Diese Stromerhöhung
muss den Strom durch die LED erhöhen,
da sie in Reihe verbunden sind. Da die LED nahe oder über die Flachbandbedingung
vorgespannt ist, wird der zusätzliche
Strom ein Einschalten oder Erhöhen
der nahen Infrarotlichtemission der LED hervorrufen. Das mittlere
Infrarotlicht wurde somit in ein nahes Infrarotlicht umgewandelt,
das von einem Si CCD detektiert werden kann.
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2 zeigt
einen Querschnitt einer QWIP-Komponente und einer LED nach dem Stand der
Technik, die in ein Array von Unter-QWIPs 11 und Unter-LEDs 13 unterteilt
sind und epitaktisch auf einem Substrat aufgebracht sind, wobei
sie Mesas formen, welche sich jeweils aus einem Unter-QWIP und einer Unter-LED
zusammensetzen.
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Es
ist daher wünschenswert,
eine Komponente bereitzustellen, bei der eine einzelne QWIP-LED
ein pixelloses Bild einem Detektionsmittel, wie beispielsweise einem
Array von CCD-Elementen, bereitstellt, das in der Lage ist, mehrere Werte
von einer einzelnen QWIP-LED zu unterscheiden und zu erfassen. Es
ist ferner wünschenswert, eine
Komponente bereitzustellen, die sicherstellt, dass ungewollte Verzerrungen,
Ausschmierungen oder Schattierungen des Bildes nicht auftreten.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher ein Ziel der Erfindung, einen großen Einzel-QWIP-LED-Hochkonvertierer
bereitzustellen.
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Es
ist ferner ein Ziel der Erfindung, einen großen Einzel-QWIP-LED-IR-Hochkonvertierer
bereitzustellen, der Verwischungs- oder Ausschmiereffekte in hohem
Maße reduziert.
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Es
ist ferner noch ein Ziel der Erfindung, einen großen Einzel-QWIP-LED-IR-Hochkonvertierer bereitzustellen,
bei dem eingehende FIR-Energie auf dieselbe Seite, aus der hochkonvertierte
NIR-Energie austritt, geworfen wird.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird, wie in Anspruch 1 definiert, ein Umwandler
(40) für
infrarotes (IR) Licht angegeben.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ferner, wie in Anspruch 10 definiert, ein
Verfahren zur bildgebenden Hochkonvertierung von infrarotem (IR) Licht
angegeben.
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In Übereinstimmung
mit der Erfindung wird ein Bildgebungssystem angegeben, das eine
Einzel-QWIP-LED, wobei die LED eine emittierende Oberflächengröße von ungefähr 2 mm × 2 mm oder größer hat,
und ein Bilderfassungsmittel aufweist, das angeordnet ist, um mehrere
verschiedene Intensitätswerte
von der Einzel-QWIP-LED zu erfassen.
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In Übereinstimmung
mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Einzel-QWIP-LED
angegeben, die mehrere verschiedene Signale an mehrere verschiedene
Zellen in einem CCD als Antwort auf den eingehenden Infrarotstrahl
bereitstellen kann, der über
zwei Dimensionen seines Querschnitts variiert.
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Und
noch dazu wird nach einem breiten Aspekt der Erfindung eine Komponente
zur Hochkonvertierung eines Eingangsstrahls angegeben, die eine
Einzel-LED beinhaltet, um mehrere verschiedene Signale an mehrere
verschiedene Zellen in einem Bilderfassungsmittel als Antwort auf
einen eingehenden Strahl bereitzustellen, der über zwei Dimensionen seines
Querschnitts variiert.
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Nach
noch einem breiteren Aspekt der Erfindung wird eine einzelne Photodetektor-Komponente, die
eine Ausgangsoberfläche
von ungefähr
2 mm × 2 mm
oder mehr zur Detektion eines eingehenden IR-Strahls und zur Bereitstellung
mehrerer der Strahlintensität
entsprechenden elektrischen Ströme
hat, zur Kopplung an ein Mittel zur Detektion der mehreren elektrischen
Strömen
bereitgestellt.
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1 ist
ein (nicht maßstabsgetreuer)
repräsentativer
Querschnitt einer FIR zu NIR Konvertierungskomponente nach dem Stand
der Technik;
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2 ist
ein (nicht maßstabsgetreuer)
repräsentativer
Querschnitt eines Arrays von FIR zu NIR Konvertierungskomponenten
nach dem Stand der Technik, das gegenüber einem Array von CCD-Elementen
angeordnet ist;
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3 ist
die äquivalente
Schaltkreisdarstellung des QWIP-LED-Hochkonvertierers. Ein QWIP als
ein Photoleiter ist in Reihe mit einer LED im Nahinfraroten oder
Sichtbaren verbunden. Eine konstante Vorspannung wird angelegt,
um sowohl den QWIP als auch die LED in ihre Betriebspunkte zu überführen.
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4a ist
eine (nicht maßstabsgetreue)
Seitenansicht einer bildgebenden Hochkonvertierer-Panelmesastruktur
auf GaAs-Substrat mit LED und QWIP.
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4b ist
eine (nicht maßstabsgetreue)
Aufsicht, die ein optisches Fenster, den oberen Ringkontakt und
den Bodenkontakt darstellt.
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4c und 4d sind
(nicht maßstabsgetreue)
Querschnittsansichten, die zwei reflektive Komponenten in Übereinstimmung
mit der Erfindung darstellen.
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5b und 5a veranschaulichen
eine schematische (nicht maßstabsgetreue)
Komponentenmesastruktur zur Beleuchtung von oben mit einem ausgedünnten Rückseitengitter
(oben) und zur Rückseitenbeleuchtung
mit einem Oberseitengitter (unten); in letztgenanntem Fall wird
die Komponente mit der Mesaseite auf dem Kältefinger des Dewargefäßes montiert.
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6 ist
eine (nicht maßstabsgetreue) Querschnittsansicht
einer Zweifarbversion des Panels, wobei die Doppelmesastruktur drei
separate elektrische Kontakte zum unabhängigen Vorspannen der beiden
QWIP-LEDs bereitstellt, wobei der mittlere Anschluss gemeinsam ausgeführt ist.
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7 ist
eine schematische Anordnung eines bildgebenden QWIP-LED-Hochkonvertiererpanels
mit zugehörigen
optischen Komponenten und einer CDD-Kamera zur infraroten Bildgebung.
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8a ist
ein Schaltkreisdiagramm, das ein Hochkonvertierungsschema zeigt,
in dem eine Photodiode (PD) als der Detektor verwendet wird.
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8b ist
ein Schaltkreisdiagramm, das ein Hochkonvertierungsschema zeigt,
in dem ein Photoleiter (PC) als der Detektor verwendet wird.
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8c ist
ein Diagramm, das eine großflächige Mesakomponente
und ein (nicht maßstabsgetreu
gezeigtes) CCD zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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In
Anbetracht der Hochkonvertierungskomponente, die oben mit ihrer
Schaltkreisdarstellung, die in 3 gezeigt
ist, beschriebene QWIP-LED, kann eine große Diode mit einem optischen
Fenster 44, wie in 4b gezeigt,
als ein Bildhochkonvertierungspanel verwendet werden. In einem ersten
Ausführungsbeispiel,
bei dem ein transmissives Substrat gegeben ist und die Komponente
in Transmission arbeitet, ist die gesamte QWIP-LED-Struktur 40 mit
einer Gesamtdicke im 1–5 μm Bereich
sehr dünn;
dadurch, dass die QWIP-LED-Struktur sehr dünn ist, ist das Übersprechen
vernachlässigbar,
das durch laterales Verteilen der photoangeregten Elektronen bewirkt
wird. Optisches Übersprechen,
das durch das lateral innerhalb des Wafers wandernde emittierte Photon
bewirkt wird, kann durch Ausdünnen
des Substrats 42 auf unter 50 μm und vorzugsweise unter ungefähr 10 μm oder sogar
durch Entfernen des gesamten Substrats 42, was nur die
epitaktischen Schichten 46 zurücklässt, auf ein Minimum reduziert werden.
Durch Bereitstellen einer Komponente, bei der dieses Übersprechen
oder Ausschmieren vernachlässigbar
ist, besteht kein Bedarf zur Pixelung durch Bereitstellen eines
Arrays von Komponenten, wobei jede, wie in konventionellen Bildgebungsarray, einem
Pixel entspricht.
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In
anderen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann dieses Übersprechen
oder Ausschmieren beseitigt werden, indem eine QWIP-LED 40 bereitgestellt
wird, die dafür
ausgelegt ist, eher in Reflexion oder Absorption mit einer gemeinsamen
Eingangs-/Ausgangsöffnung
oder -seite der Komponente als in Transmission zu arbeiten. Genauer
kann, wie in 4c gezeigt ist, in einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, wo nicht darauf geachtet wird, die Substratschicht
auszudünnen
oder nahezu 100% Transmissivität
der FIR Energie durch das Substrat sicherzustellen, vor dem Aufwachsen
der QWIP-LED-Schichten eine reflektive Schicht 45a an das
Substrat oder die QWIP-LED angrenzend eingeschlossen werden. Alternativ
kann, wie in 4d veranschaulicht, eine Substratschicht 45b mit
einer hohen Reflektivität
verwendet werden.
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In
noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung kann, anstatt ein sehr dünnes Substrat oder eine effektiv
reflektierende Schicht bereitzustellen un ter der QWIP-LED, ein Substrat
oder ein QWIP bereitgestellt werden, die hoch absorbierend sind, um
im Wesentlichen ein Ausschmieren des produzierten Bildes zu beseitigen.
Durch Bereitstellen eines absorbierenden Substrats oder einer absorbierenden
Schicht auf dem Substrat würde
jedes Licht, das in die absorbierende Schicht oder das absorbierende
Substrat eintritt, wie dies der Fall sein kann, absorbiert und würde nicht
in den QWIP-Teil der Struktur wieder eintreten, wodurch ein Ausschmieren des
Bildes beseitigt werden würde,
das durch dieses unerwünschte
Licht, das den QWIP-LED-Teil der Komponente erreicht, hervorgerufen
werden würde. Selbstverständlich würde, wie
in 7 gezeigt ist, das Bereitstellen eines absorbierenden
Substrats einen darauf beschränken,
hoch zu konvertierendes Licht auf dieselbe Seite der Komponente
zu werfen, die verwendet wird, um das hochkonvertierte Licht zu erfassen. Ähnlich würde ein
Bereitstellen einer reflektiven Schicht zwischen dem Substrat und
der QWIP-LED oder ein Bereitstellen eines reflektiven Substrats,
wie in 7, die eingehendes Licht aufnehmende und ausgehendes
Licht transmittierende Seite darauf beschränken, dieselbe Seite der Komponente
zu sein. Die Anordnung des Bildgebungssystems ist mit geeigneten
Objektiven, einem Strahlteiler 72 und einer CCD-Kamera 74 gezeigt. Das
IR-Objektiv 75 sammelt das IR-Licht und fokussiert es auf
die Ebene des Panels 40. Der Strahlteiler 72,
der eine hohe Transmission für
das IR und hohe Reflexion für
das NIR oder sichtbare Licht hat, ist enthalten. Die Verwendung
des Strahlteilers macht die Rückseite
des Panels zur Befestigung an einem Dewarkühlfinger zugänglich.
Das NIR-Objektiv 77 bildet das Emissionsbild auf die Fokalebene
der CCD-Kamera 4 ab. Vorzugsweise sollte die CCD-Kamera 4 digitale
Verarbeitungsfähigkeiten
zur Hintergrund-, Verstärkungs-
und Offsetkorrektur in Echtzeit haben. Alternativ können anstelle
eines CCDs andere Bilderfassungsmittel verwendet werden. Zum Beispiel kann
ein fotographischer Film bereitgestellt werden, um ein NIR-Bild
des hochkonvertierten Bildes zu erfassen oder Bewegtfilm kann verwendet
werden.
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Zusammen
mit der einfachen Herstellung stellt diese Komponente in Übereinstimmung
mit der Erfindung einen Füllfaktor
von ungefähr
100% zur Verfügung.
Ferner eignet sich die Erfindung zur Verwendung aller ausgereiften
und veranschaulichten Technologien, wobei Komplikationen vermieden
werden, die in einem konventionellen System angetroffen werden,
das HgCdTe oder InSp und Hybridintegration mit einem Si Multiplexer
verwendet.
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Momentan
hat der größte kommerzielle GaAs
Wafer einen Durchmesser von ungefähr 3 Inch. Beschränkt durch
die Wafergröße und die
Defektdichte kann man daher sehr große Panel im Vergleich mit den
konventionellen bildgebenden IR-Fokalebenenarrays herstellen, die
normalerweise nicht größer als
ungefähr
10 × 10
mm2 sind. Die GaAs-basierten MBE-Materialien
nach dem Stand der Technik haben eine sehr geringe Defektdichte
mit größten laborgetesteten
Dioden bis zur einer Größe von mehreren testeten
Dioden bis zur einer Größe von mehreren
Millimetern mal mehreren Millimetern.
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Für einen
mit einer LED integrierten p-QWIP kann die schematisch in 4a gezeigte
Geometrie ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel
sein, wobei hingegen für
ein n-QWIP mit LED Beugungsgitter auf oder unter dem in den 5a und 5b gezeigten Komponentenpanel
benötigt
werden.
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Bei
tatsächlichen
IR-Bildgebungsanwendungen ist es oft wünschenswert, vielfarbige oder
multispektrale Erfassung in verschiedenen Wellenlängen innerhalb
des Infrarots zu haben. Beachte hierbei, dass für das obige Einfarb-QWIP mit
LED nur zwei elektrische Verbindungen benötigt werden. Aufgrund der Einfachheit
sind Vielfarb-QWIP-LED-Versionen leicht
herstellbar.
4 zeigt eine Zweifarbversion. Genauere
Informationen bezüglich
dem Verständnis und
der Konstruktion eines Vielfarbdetektors können in einem kürzlich erteilten
US-Patent im Namen des Anmelders H. C. Liu gefunden werden, das
als
US-Patent 5,646,421 am
8. Juli 1997 an den National Research Council of Canada erteilt
wurde.
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Im
Vergleich zu der Einfarbversion wird nur eine Extraverbindung benötigt. Zwei
QWIP-LEDs sind mit der LED-Seite als einem gemeinsamen Anschluss
in Reihe verbunden. Eine Doppelmesastruktur stellt drei elektrische
Verbindungen zur Verfügung.
Die LEDs können
gleich oder unterschiedlich in ihrer Konstruktion sein, um die gleiche
oder eine unterschiedliche Emissionswellenlänge hervorzubringen.
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In
dem oben zitierten Buchkapitel erläutert der Anmelder H. C. Liu
die grundlegende Konstruktion von Hochleistungs-QWIPs. Hier wird
ein Beispiel einer GaAs/AlGaAs Struktur für λIR =
9 μm gegeben. Der
Topf ist 5,9 nm GaAs und ist mit Si auf ungefähr 5 × 1011 cm–2 dotiert
und die Barriere ist 40,0 nm undotiertes Al0,25Ga0,75As. Für
hohe Absorption sollte die Anzahl der Töpfe größer sein als ungefähr 20. Je höher die
Zahl der Töpfe
ist, desto niedriger ist das Detektorrauschen. Aber zweckmäßig werden
20 bis 100 Töpfe
verwendet, und wir wählen
50 Töpfe
in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Die untere GaAs Kontaktschicht ist mit Si auf ungefähr 15 × 1013 cm–3 dotiert und hat eine
Dicke von 0,8 μm.
Das Substrat zum epitaktischen Aufwachsen ist halbisolierendes (100)
GaAs.
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Die
LED ist nachfolgend nach der letzten Barriere des QWIP aufgewachsen.
Die LED-Technologie ist ausgereift und wir geben hier ein Beispiel
von Schichten, die zur Emission knapp unter der GaAs Bandlücke bei
einer Wellenlänge
von ungefähr
870 nm (77K-Betrieb) in der NIR Region geeignet sind. Schichten
in der Aufwachsreihenfolge sind eine 40,0 nm abgestufte AlxGa1-xAs von x =
0,25 bis 0,10, eine 30,0 nm GaAs Pufferschicht, eine 9,0 nm In0,1Ga0,9As als aktive
Schicht, eine 30,0 nm GaAs Pufferschicht, eine 40,0 nm abgestufte
AlxGa1-xAs von x
= 0,10 bis 0,25, eine 50,0 nm p-Typ-dotierte Al25Ga0 75As mit Dotierung von Be auf 5 × 1018 cm–3, eine 200,0 nm p-Typ-dotierte obere GaAs
Kontaktschicht mit Dotierung von Be auf 1019 cm–3.
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Varianten
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
können
leicht für
einen breiten IR-Bereich ausgelegt werden. QWIPS, die bei 3–20 μm arbeiten, wurden
bis jetzt in den Laboratorien erreicht. Die Konstruktion von LEDs
mit einer möglichen
Wellenlängenausstrahlung
in dem NIR oder sichtbaren Spektrum ist bekannt.
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Objektive
und Strahlteiler sind kommerziell erhältlich. Zum Beispiel können das
IR-Objektiv und der Strahlteiler aus Dünnfilm beschichtetem Ge gemacht
sein, und Standardkameraobjektive sind geeignet für das NIR.
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Eine
große
Vielfalt von kommerziellen Si 2D CCD-Arrays verfügbar, z. B. jene, die von Dalsa
Inc., 605 McMurray Road, Waterloo, Ontario N2V 2E9, Kanada, hergestellt
werden.
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Halbleiter
Photodioden (PDs), Photoleiter (PCs) sind ohne weiteres erhältliche
kommerzielle Produkte. Einen Detektor, wie eine PD oder ein PC, mit
einer LED (wie oben beschrieben) zur Wellenlängenkonvertierung zu integrieren,
ist bekannt. Beispiele von Komponenten werden in Druckschriften von
Beneking et al. und Liu et al. und in Patenten von Pocholle et al.
und Liu gegeben. Die se Patente erläutern auch ein Verfahren zur
Herstellung bildgebender Arrays, die aus einer großen Anzahl
von Elementen gemacht sind, die Pixeln entsprechen.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist eine Hochkonvertierungskomponente gezeigt, bei der
entweder eine PD oder ein PC mit einer LED in Reihe verbunden ist.
Bezugnehmend auf 8a ist nun eine Komponente in
Form einer vorgespannten PD gezeigt, die mit einer LED in Reihe
geschalten ist und in 8b ist ein PC gezeigt, der vorgespannt
und mit einer LED in Reihe geschalten ist. Der PC oder die PD fungiert
als der IR-Detektor, wohingegen die LED in dem zu dem CCD-Ansprechbereich kompatiblen
NIR oder sichtbaren Spektrum emittiert. [Hier bezeichnen wir mit "IR" alle Wellenlängen länger als
die CCD-Ansprechregion (> 1,1 μm).] Eine
konstante Vorspannung in Durchlassrichtung (V+) wird an die LED
angelegt, wobei die andere Seite der Reihe geerdet ist. Eine IR
Anregung des Detektors erniedrigt den Widerstand des Detektors und
erhöht
dadurch den Spannungsabfall über der
LED, was zu einer Erhöhung
in der LED-Emissionsintensität
führt.
Wir haben daher das eingehende IR in eine Erhöhung von NIR oder sichtbarer
Emission konvertiert.
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Man
beachte, dass für
den Fall der Photodiode, der in 8(a) gezeigt
ist, man, anstatt die beiden n-Typ-Seiten miteinander zu verbinden, die
beiden p-Typ-Seiten verbinden kann, wobei in diesem Fall die angeregte
Spannung negative Polarität
haben sollte. Man beachte auch, dass man, anstatt die Detektorseite
zu erden, die LED-Seite
mit dem geeigneten Wechsel der Vorspannungspolarität erden kann. Ähnlich kann
man für
den Fall des Photoleiters, der in 8(b) gezeigt
ist, die Polarität
der LED und der Vorspannung umkehren, wobei in diesem Fall der Photoleiter
als Fehlstellenleitungsprozess arbeiten sollte. Ähnlich kann die Erdung auch
entweder die Detektor- oder die LED-Seite sein. Die generelle Voraussetzung
des Vorspannens und Erdens ist so, dass die LED in Durchlassrichtung
vorgespannt sein muss. Die grundlegenden Elemente zum Erreichen einer
pixellosen Bildgebungskomponente in Übereinstimmung mit diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind in 8(c) gezeigt.
Eine einfache zweipolige Mesakomponente wird auf einem Substrat
gezeigt. Die Hochkonvertierungskomponente ist für ein IR-Bild ausreichend großflächig ausgeführt, und ein CCD detektiert
das emittierte Bild.
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Die
Schlüsselvoraussetzungen
zur Hochkonvertierung des IR-Bildes in das LED-Emissionsbild mit
vernachlässigbarer
Verzerrung, Ausschmierung und Übersprechen
in Übereinstimmung
mit diesem Ausführungsbeispiel
wie folgt. (1) Der gesamte aktive Teil der Detektor LED-Struktur
muss dünn
sein (Die Figur ist nicht maßstabsgetreu
gezeichnet: Die Höhe
der Mesas sollte viel kleiner als die Größe der Komponentenfläche sein,
a >> h). In der Praxis
ist aufgrund des Beugungslimits in optischen Elementen eine Dicke
vergleichbar der oder kleiner als die IR-Wellenlänge ausreichend, h >> λIR oder h < λIR)
2. Der photoangeregte Ladungsträger
in dem Detektor muss die aktive Region der LED mit vernachlässigbarer
Bewegung in die Richtungen senkrecht zu dem angelegten Vorspannungsfeld
erreichen. Um das senkrechte Ausschmieren zu minimieren, sollte
die mittlere Schicht, die den Detektor und die LED verbindet, dünn und nahezu
vollständig
verarmt sein. Wiederum aufgrund des Beugungslimits ist eine senkrechte
Bewegung kleiner als die Wellenlänge
in der Praxis vernachlässigbar.
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Die
Molekularstrahlepitaxie (MBE) und andere ähnliche oder verwandte epitaktische
Wachstumstechnologien können
Komponenten hervorbringen, die die beiden obigen Voraussetzungen
erfüllen.
Das Heterosystem von InGaAs-InAlAs oder von InGaAs-InP basierend
auf InP ist ideal zur Implementierung der Hochkonvertierungskomponente,
die den Teil der IR-Region von 1,8–1,1 μm erfasst. Eine neu entwickelte
Dreistofflegierung, InTlP, die auf InP aufgewachsen wird und nahezu
gitterangepasst mit InP ist, ist in der Lage, den gesamten Infrarotbereich
zu erfassen. Gegenwärtig
hat der größte kommerzielle InP-Wafer einen Durchmesser
von 3 Inch. Beschränkt
durch die Wafergröße und die
Defektdichte kann man daher im Vergleich mit den konventionellen bildgebenden
IR-Fokalebenenarrays, die normalerweise nicht größer als ungefähr 10 × 10 mm2 sind, sehr große pixellose Komponenten machen.
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Zusammenfassend
weist die Komponente nach dem Stand der Technik eine Mehrzahl von QWIP-LEDs
auf, die ein Fenster von ungefähr
2 mm × 2
mm oder größer zum
Hindurchtreten hochkonvertierten Lichts haben, wobei ein CCD-Array
angeordnet ist, um gepixelte Intensitätswerte so aufzunehmen, dass
eine QWIP-LED einen einzelnen Wert an ein oder mehr CCD-Elemente
bereitstellt, die zum Erfassen von Licht angeordnet sind. Im Wesentlichen stellt
die Struktur, die von dem Anmelder in dem vorherigen Patent erläutert wird,
ein Mittel zur Pixelung eines Bildes bereit, in dem mehrere QWIP-LEDs
auf einer einzelnen Struktur bereitgestellt werden. In einem alternativen
Ausführungsbeispiel
wird auf einem Substrat eine Photodiode (PD) oder ein Photoleiter (PC)
mit einer großen
LED verbunden, um ein hochkonvertiertes pixelloses Bild bereitzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung reduziert wesentlich die Kosten, ein Bild
zur Verfügung
zu stellen, das mehrere Intensitätswerten
hat, ohne den Nachteil der Pixelung des Bildes, durch Angeben eines
Arrays von QWIP-LEDs zum Bereitstellen individuell variierende Intensitätswerte.
Sie erlaubt derselben Komponente auch, mit einer unterschiedlichen
Anzahl an Quantisierungen verwendet zu werden. Das CCD variiert
basierend auf Konstruktionsanforderungen, wie Kosten und Auflösung. Über die
vorliegende Erfindung ist eine Variation mit einem bekannten Zusammenhang
zu dem eintretenden Infrarotstrahl über zwei Dimensionen des Panels
erreichbar, wobei eine einzelne QWIP-LED mehrere verschiedene Signale an
mehrere verschiedene Zellen in einem CCD als Antwort auf den einge henden
Infrarotstrahl bereitstellt, der über zwei Dimensionen seines
Querschnitts variiert.