论文摘要
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56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。
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