DE69738594T2 - Bildwandlerpanel und zugehörige verfahren - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Hochkonvertierung von IR Energie.
  • Hintergrund der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist daher ein Ziel der Erfindung, einen großen Einzel-QWIP-LED-Hochkonvertierer bereitzustellen.
  • Es ist ferner ein Ziel der Erfindung, einen großen Einzel-QWIP-LED-IR-Hochkonvertierer bereitzustellen, der Verwischungs- oder Ausschmiereffekte in hohem Maße reduziert.
  • 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.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung wird, wie in Anspruch 1 definiert, ein Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht angegeben.
  • In Übereinstimmung mit der Erfindung wird ferner, wie in Anspruch 10 definiert, ein Verfahren zur bildgebenden Hochkonvertierung von infrarotem (IR) Licht angegeben.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 1 ist ein (nicht maßstabsgetreuer) repräsentativer Querschnitt einer FIR zu NIR Konvertierungskomponente nach dem Stand der Technik;
  • 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;
  • 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.
  • 4a ist eine (nicht maßstabsgetreue) Seitenansicht einer bildgebenden Hochkonvertierer-Panelmesastruktur auf GaAs-Substrat mit LED und QWIP.
  • 4b ist eine (nicht maßstabsgetreue) Aufsicht, die ein optisches Fenster, den oberen Ringkontakt und den Bodenkontakt darstellt.
  • 4c und 4d sind (nicht maßstabsgetreue) Querschnittsansichten, die zwei reflektive Komponenten in Übereinstimmung mit der Erfindung darstellen.
  • 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.
  • 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.
  • 7 ist eine schematische Anordnung eines bildgebenden QWIP-LED-Hochkonvertiererpanels mit zugehörigen optischen Komponenten und einer CDD-Kamera zur infraroten Bildgebung.
  • 8a ist ein Schaltkreisdiagramm, das ein Hochkonvertierungsschema zeigt, in dem eine Photodiode (PD) als der Detektor verwendet wird.
  • 8b ist ein Schaltkreisdiagramm, das ein Hochkonvertierungsschema zeigt, in dem ein Photoleiter (PC) als der Detektor verwendet wird.
  • 8c ist ein Diagramm, das eine großflächige Mesakomponente und ein (nicht maßstabsgetreu gezeigtes) CCD zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht, der einen einzelnen Photodetektor aufweist, um mehrere verschiedene Intensitätswerte infraroter Strahlung, die einem Bild entsprechen, zu detektieren, wobei der Photodetektor mit einer einzelnen Leuchtdiode (LED) (46) vertikal integriert ist, die dafür dimensioniert und dazu in der Lage ist, mehrere verschiedene Intensitätswerte von naher Infrarotstrahlung oder sichtbarer Lichtstrahlung bereitzustellen, die dem von dem Photodetektor detektierten Infrarotbild entsprechen, und diese Leuchtdiode auch dafür dimensioniert ist, mit einem Bilderfassungsmittel (74) zu koppeln, das angeordnet ist, um die mehreren verschiedenen Intensitätswerte von naher Infrarotstrahlung (NIR) oder sichtbarer Lichtstrahlung, die dem Bild entsprechen, von der einzelnen LED zu erfassen.
  2. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor eine Photodiode (PD) oder einen Photoleiter (PC) aufweist.
  3. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor einen Quantentopf-Zwischenunterband- Photodetektor ("Quantum well intersubband photodetector", QWIP) aufweist.
  4. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der QWIP mit der LED auf einem Substrat (42) vertikal integriert ist.
  5. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (45a) auf der Komponente zwischen dem Substrat (42) und dem QWIP angeordnet ist, die im Wesentlichen absorbierend oder reflektierend ist, um eine wesentliche Menge der sich zum Substrat (42) hin ausbreitenden Lichtenergie daran zu hindern, durch dieses hindurchzutreten, wobei das Licht von derselben Oberfläche der Komponente emittiert wird, auf die es einfällt.
  6. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schicht (45a) auf der Komponente angrenzend an das Substrat (42) angeordnet ist, die im Wesentlichen absorbierend oder reflektierend ist, um eine wesentliche Menge der sich zum Substrats (42) hin ausbreitenden Lichtenergie daran zu hindern, durch dieses hindurchzutreten, wobei das Licht von derselben Oberfläche der Komponente emittiert wird, auf die es einfällt.
  7. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die LED eine lichtemittierende Fläche hat, die eine Abmessung von ungefähr größer als 2 mm × 2 mm hat.
  8. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bilderfassungsmittel ein Array von CCD-Elementen (74) aufweist.
  9. Umwandler (40) für infrarotes (IR) Licht nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (42) eine Dicke von kleiner als oder gleich 50 μm hat, um die Verzerrung in dem Bild wesentlich zu minimieren.
  10. Verfahren zur bildgebenden Hochkonvertierung von infrarotem (IR) Licht, die umfasst: Bereitstellen eines einzelnen Hochkonvertierers (40), der einen einzelnen Photodetektor aufweist, wobei der Photodetektor mit einer einzelnen Leuchtdiode (LED) (46) vertikal integriert ist, die zur Kopplung mit einem Bilderfassungsmittel dimensioniert ist; Bereitstellen mehrerer verschiedener Intensitätswerte infraroter Strahlung, die einem Bild entsprechen, an dem Photodetektor; Hochkonvertieren der Infrarotstrahlung unter Verwendung der einzelnen LED in Energie von nahem infrarotem (NIR) und sichtbarem Licht; und Bereitstellen mehrerer verschiedener Intensitätswerte von Energie von nahem infrarotem (NIR) und sichtbarem Licht von der einzelnen LED, die dem Infrarotbild entsprechen, das von dem Photodetektor detektiert wurde, an dem Bilderfassungsmittel (74).
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