收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

半导体远红外/THz上转换成像器件研究

武乐可  
【摘要】: 在可见光和近红外波段(最长到1.1μm),硅电荷耦合器件(Si CCD)是一种性能优异、并已成熟的成像器件。紫外及更短波段光的探测可通过在Si CCD上涂以合适的发光材料加以实现。波长较长的中红外波段,一般采用InGaAs列阵、InSb列阵、HgCdTe列阵或GaAs/AlGaAs量子阱列阵来进行探测成像。对于波长更长的远红外/THz波段,所用的成像方法有扫描成像和实时成像等,但成像设备复杂昂贵,只应用在军事、天文等特殊领域,目前还没有一种可以普遍采用的、低成本、有效的成像方法。远红外/THz波段常用的探测器是热敏探测器,如测辐射热仪和焦热电探测器,但它们往往具有较长的响应时间,而且价格高昂。近年来出现的远红外/THz探测中灵敏度高,响应速度快的半导体光电探测器,如GaAs远红外同质结探测器(HIWIP)和GaN/AlGaN异质结中红外/远红外双带探测器(HEIWIP)等,为实现半导体远红外/THz探测成像提供了新的思路。 基于光子频率上转换的概念,在半导体远红外/THz探测器结构上面集成生长一短波长发光二极管(LED),其发射波长位于Si CCD的探测范围之内,由此串联而成的光学上转换结构在一恒定的偏压下,入射的远红外/THz信号被探测器检测到,引起探测器电阻的下降,并导致发光二极管上电压的增加,使LED发出可被Si CCD直接收集的短波长光,从而可以实现远红外/THz信号的上转换成像。 将GaAs HIWIP远红外探测器与GaAs/AlGaAs近红外LED串连集成起来,就得到了GaAs基半导体远红外/THz上转换成像器件(HIWIP-LED)。GaAs HIWIP探测器是这种上转换成像器件中非常重要的一部分,其主要结构由多周期的GaAs发射层/本征层组成。通过调节发射层中的掺杂浓度或偏压,可以很方便地改变探测器的截止波长。同时基于相关理论模型,分析了探测器中的自由载流子吸收,热载流子输运,及界面处的势垒收集过程,并介绍了多周期GaAs HIWIP中的碰撞离子化过程,以及在不同掺杂和偏压下的响应率情况。 上转换量子效率和成像质量是半导体远红外/THz上转换成像器件的两个重要性能指标。从GaAs HIWIP的电流连续性方程出发,并结合频谱分析方法,得到了到达GaAs/AlGaAs LED的光电流空间分布情况。同时考虑LED中的光子循环效应,并对LED激活层中热载流子的扩散方程进行分析,可以得到转换过来的近红外光的空间分布情况。由此考察了GaAs HIWIP-LED的调制传递函数和上转换量子效率与探测器和LED器件参数的关系,并优化了相关器件参数。研究表明利用优化的HIWIP-LED结构,可以成功地对远红外/THz辐射进行上转换成像,并且能获得较为满意的图像质量。 然而GaAs HIWIP-LED的上转换量子效率比较低,这对于成像是不利的,主要原因在于GaAs HIWIP探测器中的光吸收效率和LED中的光子出射效率比较低,同时光子循环效应对图像的质量也产生不利的影响。为了提高远红外上转换成像的性能,接着采用了谐振腔增强的GaAs HIWIP-LED结构。首先用带底部反射镜的GaAs远红外同质结探测器(HIWIP-BM)代替GaAs HIWIP,由于底部反射镜加强了探测器中的光吸收,在共振条件下GaAs HIWIP-BM的量子效率比GaAs HIWIP有了明显提高。对体系的调制传递函数进行分析发现,底部反射镜在提高探测器量子效率的同时,并不影响整个上转换体系的成像效果。然后在GaAs/AlGaAs LED顶部和底部分别加上分布式布拉格反射镜(DBR)构成谐振腔,研究了DBR谐振腔存在时LED的光子出射效率。计算表明当顶部DBR为1个周期,底部DBR为6个周期,并且LED激活层到底部和顶部DBR的距离之比为9:1时,光子出射效率可以达到25%以上。在谐振腔增强的GaAs HIWIP-LED中,上转换量子效率提高到原来的5~6倍,同时还由于DBR谐振腔的存在减弱了LED中的光子循环效应,使得远红外成像效果也有了明显的提高。另外需要指出的是,HIWIP的底部反射镜和LED的底部DBR有效地遏制了LED发出的近红外光子向HIWIP方向传播,被探测器的发射层重新吸收所引起的串音现象。 新近研制的单周期GaN/AlGaN HEIWIP中红外/远红外双带探测器,为我们提供了另外一种实现远红外/THz上转换成像的途径。利用光学传递矩阵方法以及有效质量理论分别模拟了单周期GaN/AlGaN HEIWIP中红外和远红外/THz波段的响应率,计算结果与实验得到的双带响应率很好地符合。在此基础上,设计了多周期结构的GaN/AlGaN HEIWIP双带探测器。研究发现相对于单周期结构,多周期结构的HEIWIP探测器在中红外和远红外/THz波段的响应都得到了明显加强。利用优化的多周期HEIWIP与GaN/AlGaN紫光LED的集成结构,可以实现中红外/远红外双带上转换成像。若用DBR谐振腔增强的GaN/AlGaN LED替代常规的LED,可实现良好的成像效果。同时由于多周期HEIWIP探测器的光响应很强,HEIWIP-LED双带上转换成像器件具有很高的上转换量子效率。 GaAs基HIWIP-LED远红外/THz上转换以及GaN/AlGaN HEIWIP-LED中红外/远红外双带上转换成像结构可通过常规器件制备方法制作器件单元,利用大尺寸(厘米量级)光学上转换器件单元自然的载流子密度分布与Si CCD结合可直接形成上转换成像器件。并且这种上转换成像器件不需要任何特殊的混合读出电路,成像是通过高效、成熟的Si CCD实现的。在GaAs HIWIP-LED中,由于探测器的截止波长可通过调节器件参数来控制,相应远红外/THz成像的波段也较容易调节。因此,半导体远红外/THz上转换成像器件具有简单、成本低、响应波长可调等特点。由于远红外/THz探测成像在天体物理、红外物理和新材料探索等领域广泛的应用前景,这类半导体远红外/THz上转换成像器件具有潜在的应用价值。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前17条
1 王月娥;李东霞;李智;胡放荣;;基于四峰超材料THz传感器的B族维生素检测[J];光谱学与光谱分析;2020年06期
2 傅杨颖;;利用真空电子器件产生THz技术的发展[J];红外;2012年09期
3 傅杨颖;;利用真空电子器件产生THz技术的发展[J];空间电子技术;2012年04期
4 薛红;;压缩态THz光的产生及检测技术[J];渭南师范学院学报;2011年02期
5 程万杰;石顺祥;;THz透过色散介质的FDTD分析[J];电子科技;2009年05期
6 郭峰;秦雪莲;黄炜;张以群;谢美然;;高分子电光材料在THz辐射源领域的研究进展[J];高分子通报;2008年06期
7 亓丽梅;杨梓强;高喜;梁正;;光子晶体THz器件的研究进展[J];量子电子学报;2007年05期
8 郭函;马文英;马长伟;唐雨竹;;基于吸波结构的THz谐振器及其传感特性[J];成都信息工程大学学报;2020年02期
9 廖晓玲;刘延雷;汪宏;李伟忠;;基于THz波的玻璃纤维复合材料无损检测方法研究[J];玻璃钢/复合材料;2015年09期
10 谢凌云;肖文波;黄国庆;胡爱荣;刘江涛;;光子晶体增强石墨烯THz吸收[J];物理学报;2014年05期
11 李俊成;郭立新;刘松华;;THz频段单面左手材料的设计及仿真研究[J];物理学报;2012年12期
12 姚建铨;汪静丽;钟凯;王然;徐德刚;丁欣;张帆;王鹏;;THz辐射大气传输研究和展望[J];光电子.激光;2010年10期
13 张振兴;赵青;宣银良;薄勇;何果;;THz光子晶体天线仿真与设计[J];电子科技大学学报;2014年05期
14 刘頔威;刘盛纲;;THz光子晶体光纤的模式及色散特性分析[J];电子科技大学学报;2008年03期
15 徐军;罗积军;李喜来;赵云芳;;超宽带THz雷达反隐身技术研究[J];光学技术;2006年S1期
16 邓玉强,邢岐荣,郎利影,柴路,王清月,张志刚;THz波的小波变换频谱分析[J];物理学报;2005年11期
17 王晨曦;杨军;李浩光;邓光晟;尹治平;吕国强;;THz交错波导慢波结构高频损耗研究[J];太赫兹科学与电子信息学报;2016年01期
中国重要会议论文全文数据库 前20条
1 韩英军;黎华;谭智勇;曹俊诚;;THz量子级联激光器的材料生长和器件制作[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(1)[C];2007年
2 葛宏义;蒋玉英;马海华;廉飞宇;张元;夏善红;;小麦新陈度的THz快速无损检测研究[A];第十七届全国光散射学术会议摘要文集[C];2013年
3 秦顺友;张文静;杜晓恒;王聚亮;任冀南;;THz频段反射面天线表面电阻引起的噪声温度和增益损失的计算[A];2013年全国微波毫米波会议论文集[C];2013年
4 丁让箭;吴先良;;THz频段带状线的传输特性[A];全国电磁兼容学术会议论文集[C];2006年
5 张祖存;窦文斌;;结构紧凑的扫描倒置显微镜THz成像系统[A];2009年全国微波毫米波会议论文集(下册)[C];2009年
6 丁胜晖;李琦;姚睿;王骐;;THz共焦扫描成像图像处理方法初步研究[A];第九届全国光电技术学术交流会论文集(下册)[C];2010年
7 孙金海;赵国忠;张亮亮;钟华;沈京玲;张存林;;浅议电场和磁场对THz的影响[A];大珩先生九十华诞文集暨中国光学学会2004年学术大会论文集[C];2004年
8 胡强林;刘世炳;;超强超短激光脉冲驱动等离子体电流产生强THz电磁辐射[A];2006年全国强场激光物理会议论文集[C];2006年
9 李虎权;刘劲松;聂晶;;非线性耦合下的二维时域THz光谱[A];第十三届全国红外加热暨红外医学发展研讨会论文及论文摘要集[C];2011年
10 周博;;上转换中的多光子过程[A];中国稀土学会2021学术年会论文摘要集[C];2021年
11 王樱蕙;张洪杰;;刺激-响应型稀土纳米诊疗剂在癌症诊断与治疗中的应用探索[A];中国化学会第十届全国无机化学学术会议论文集(第二卷)[C];2019年
12 谢胜杰;温红丽;;低温常压合成花状上转换纳米颗粒研究[A];中国化学会第十届全国无机化学学术会议论文集(第一卷)[C];2019年
13 梁美玉;霍建中;张菲;王璐;李妍;;镱和铥掺杂的上转换纳米粒子的合成及在肾上腺素检测中的应用[A];中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议论文(摘要)集(第二卷)[C];2019年
14 张健健;;过氧亚硝酸根激活型荧光/光声双模态上转换纳米探针的设计、合成及活体成像应用研究[A];第十一届全国化学生物学学术会议论文摘要(第三卷)[C];2019年
15 张晓波;张玥;何玉玲;李玉姨;张越;刘颖;鞠熀先;;高效发光共振能量转移上转换纳米探针构建及其在肿瘤成像与治疗中的应用[A];第十一届全国化学生物学学术会议论文摘要(第三卷)[C];2019年
16 袁野;高长永;王道林;周昶;朱保华;贺强;;阴阳型上转换粒子胶囊马达荧光检测水体中TNT[A];中国化学会第十七届全国胶体与界面化学学术会议论文(摘要)集(第二卷)[C];2019年
17 李娟;刘应良;曹少魁;;1550 nm近红外激发下Er~(3+)敏化纳米颗粒的上转换研究[A];河南省化学会2020年学术年会论文摘要集[C];2020年
18 韩建雷;杨雪峰;李祥高;段鹏飞;刘鸣华;;酞菁钌敏化的近红外光TTA上转换[A];中国化学会第五届卟啉与酞菁学术研讨会会议论文集[C];2018年
19 钟嘉敏;霍延平;籍少敏;梁亮;;三重态-三重态湮灭上转换薄膜固载化研究[A];第一届全国光功能材料青年学者研讨会2018摘要集[C];2018年
20 董玉叶;张欣;籍少敏;;基于BODIPY的三重态湮灭上转换光敏剂的研究[A];第一届全国光功能材料青年学者研讨会2018摘要集[C];2018年
中国博士学位论文全文数据库 前20条
1 武乐可;半导体远红外/THz上转换成像器件研究[D];上海交通大学;2008年
2 田震;THz波段表面等离激元波的主动控制和传感应用[D];天津大学;2010年
3 杨闯;微波和THz波段复介电常数与复磁导率测量的关键技术研究[D];天津大学;2020年
4 邓光晟;双光栅绕射辐射THz源高频系统的研究[D];合肥工业大学;2014年
5 梁兰菊;基于多层柔性超材料的THz器件[D];南京大学;2014年
6 李栋;太赫兹(THz)波的产生和相干控制研究[D];上海大学;2011年
7 李贞;基于夹层结构上转换纳米颗粒的荧光共振能量转移探针的设计及应用[D];武汉大学;2016年
8 索浩;基于FIR技术的稀土掺杂上转换测温材料特性研究[D];西北大学;2019年
9 亢宁;稀土掺杂上转换纳米颗粒的发光性能调控及其应用于多模式生物成像的研究[D];厦门大学;2017年
10 张俐;近红外纳米平台的生物医学应用基础研究[D];吉林大学;2019年
11 刘宇嘉;基于上转换纳米材料的新型光学超分辨技术[D];上海交通大学;2016年
12 崔照文;稀土上转换纳米颗粒用于癌症等疾病诊疗研究[D];中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所);2019年
13 王传英;Cr~(3+)掺杂β-NaYF_4:Yb/Er上转换薄膜的制备及其摩擦学性能研究[D];上海交通大学;2016年
14 田青勇;基于NaYF_4上转换材料复合光催化剂的制备、性能与催化机理研究[D];武汉大学;2018年
15 王宁宁;新型上转换荧光纳米探针的构建及细胞成像分析研究[D];湖南大学;2019年
16 王冉;稀土上转换纳米晶中的红外激光诱导热效应及传感特性研究[D];哈尔滨工程大学;2018年
17 赵小奇;稀土掺杂氧化物上转换微/纳米晶的可控合成及光谱调控[D];西北大学;2018年
18 吴园;基于核酸适体的多功能上转换纳米探针的研究[D];湖南大学;2018年
19 韩仁璐;稀土上转换/介孔硅纳米材料制备及抗肿瘤应用研究[D];哈尔滨工业大学;2018年
20 丁玉洁;上转换纳米材料的制备、组装及荧光传感[D];南京大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前20条
1 折帅;基于THz时域光谱技术的木材分类识别与含水率预测[D];北京林业大学;2019年
2 张雅雯;基于人工电磁材料的THz非对称传输器件研究[D];北京邮电大学;2018年
3 刘珂;光子晶体光纤的理论分析及其在THz波导分析中的应用[D];浙江大学;2005年
4 王彪;适于THz传输的光子晶体光纤设计及特性研究[D];华北理工大学;2021年
5 周勇;THz回旋管高频系统研究[D];电子科技大学;2008年
6 吴鹏;液晶光子晶体光纤THz滤波和传感特性研究[D];天津理工大学;2015年
7 徐征帅;基于柔性超材料的THz宽带吸收器的研究与设计[D];北京交通大学;2016年
8 李浩光;THz双通道行波管高频系统研究[D];合肥工业大学;2015年
9 李珏岐;THz返波管的研究[D];电子科技大学;2011年
10 李慧;玉米种子质量的THz检测机理与分析方法研究[D];北京工商大学;2019年
11 陈安;非共振等离子体波THz器件响应研究[D];西安电子科技大学;2015年
12 武凤萍;神经性毒剂的中红外光谱和THz光谱研究[D];首都师范大学;2009年
13 王培鹏;基于单光栅结构的THz返波管研究及应用[D];电子科技大学;2021年
14 刘津;光泵气体THz激光器的能量转化效率的研究[D];哈尔滨工业大学;2015年
15 刘艳;光子晶体缺陷中THz波的传输条件和规律研究[D];青岛大学;2010年
16 王花丽;基于THz检测技术的除草剂光谱分析研究[D];中国计量学院;2012年
17 罗祥;萘醌及其衍生物的红外与THz的光谱研究[D];首都师范大学;2008年
18 黄志军;基于THz波光谱技术探究五脏与经络的相关性研究[D];江西中医药大学;2020年
19 杨路路;THz双光栅绕射辐射器件高频系统研究[D];合肥工业大学;2014年
20 宋丽军;基于复式晶格光子晶体双波长THz波调制器的特性研究[D];南京邮电大学;2012年
中国重要报纸全文数据库 前20条
1 记者 秦宇龙;40条违规广告立即停止播出[N];中国中医药报;2017年
2 ;远红外技术在食品中的应用前景(中)[N];中国食品报;2011年
3 龚筱维;“远红外”“超高收缩”腈纶问世[N];中国石化报;2000年
4 李佩仪 记者 孙圆;远红外技术助安全行驶[N];中国质量报;2012年
5 郭子;“暖阳阳”远红外毯问世[N];中国经营报;2000年
6 本报记者  王飞;新型远红外产品带来生物保健的春天[N];经理日报;2006年
7 ;专家点评远红外[N];大众科技报;2000年
8 刘刚;稀土上转换纳米智能探针研究取得新进展[N];中国有色金属报;2016年
9 本报记者 曹新俊;用人才撑起企业远航之帆[N];信阳日报;2021年
10 本报记者 任鸽;远红外按摩床吹得没边[N];消费日报;2010年
11 ;“依福瑞”何以持续走红[N];福建工商时报;2000年
12 庄传江;衡水源祥羊绒集团成功开发远红外针织纱[N];中国纺织报;2008年
13 记者 顾钢;远红外摄谱仪助力“月球初航一号”[N];科技日报;2008年
14 本报记者 王臻;博览会上的“绿色角”[N];青海日报;2019年
15 本报记者 王小伟;恩鹏健康以“健康+”拓展成长空间[N];中国证券报;2015年
16 ;远红外技术在食品中的应用原理和发展前景(上)[N];中国食品报;2011年
17 陈永杰 陈维新;仪化远红外中空纤维走俏[N];中国石化报;2000年
18 通讯员 张华 记者 冯国梧;近红外光让药物“制导”更快更准[N];科技日报;2016年
19 记者 杨联民 花善岱;提升附加值是唯一出路[N];中华工商时报;2001年
20 鲁华龙 焦念友;精馏法分离脂肪酸项目 低温远红外功能陶瓷材料通过鉴定[N];中国化工报;2001年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978