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GaN/AlGaN双带红外探测及光子频率上转换研究

周利刚  
【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。 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红外上转换成像的途径。通过光致发光光谱确认GaN/AlGaN探测器结构中AlGaN本征层的Al组分,讨论了不同Al组分GaN/AlGaN异质结的导带带阶界面功函数差。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。研究多周期GaN/AlGaN探测器与GaN/AlGaN发光二极管集成结构的中红外和远红外光子频率上转换效率与GaN发射层厚度、AlGaN本征层厚度、紫光光子出射效率、内量子效率、空间频率和发射层掺杂浓度间的关系,优化了器件结构参数。 GaN/AlGaN半导体红外上转换成像器件具有简单、成本低、响应波长可调等特点。由于红外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,这类半导体红外上转换成像器件具有潜在的应用价值。


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