[发明专利]一种波长上转换半导体结构及其光探测方法

说明书

技术领域：

本发明属于半导体材料和器件制作领域，具体涉及用于红外弱光探测的半导体器件结构。

背景技术：

红外探测技术在环境污染监控、气象探测、热成像、天文观测以及军事领域中有着非常重要的作用。目前应用于微弱红外光探测的技术路线主要有：基于HgCdTe(MCT)半导体材料的红外探测器、基于窄禁带半导体InSb及其II型量子阱的红外探测器、基于量子阱子带间跃迁的量子阱红外探测器(QWIP)、基于量子点子带间跃迁的量子点红外探测器(QDIP)以及基于波长上转换的红外探测器。由于很多应用场合的红外信号光强度极低，因此对红外探测器的暗计数提出了很高的要求。

MCT红外探测器和InSb基红外探测器中的暗计数主要由扩散、产生-复合、缺陷辅助隧穿、带间隧穿等机理造成(W.D.Hu，et al.，Analysis of temperature dependence of dark current mechanisms for long-wavelength HgCdTe photovoltaic infrared detectors，JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 105，104502，2009)，虽然这些探测器可以达到较高的探测率水平，但其暗计数仍普遍较大。此外，这两种材料的热膨胀系数和Si的热膨胀系数相差很大，将其与Si基读出电路对接时的技术难度大。对于QWIP和QDIP，由于其利用的是导带子带间的跃迁，极易受热噪声以及外加电场的影响(H.Dehdashti Jahromi et al.，Investigation of the quantum dot infrared photodetectors dark current，Optics & Laser Technology43，1020-1025，2011)，故其暗记数水平一般与MCT探测器相当。

基于波长上转换的红外探测器的工作原理为：将目标红外光通过前级的波长上转换器件变为Si-APD、光电倍增管(PMT)等探测器探测波长范围内的短波长信号光，再由后级的Si-APD、PMT等探测器收集探测此短波长信号光。由于Si-APD和PMT探测器的暗计数可以达到极低的水平，而且制作技术已经相当成熟，故只要波长上转换过程引入的暗计数很小，就可以实现低暗计数的红外弱光探测。因此，制作这种探测器的关键在于前级的波长上转换器件的效率以及引入的暗计数水平。

目前主要的波长上转换的方法以及优缺点如下(Y.Yang，et al.，Semiconductor infrared up-conversion devices，Progress in Quantum Electronics 35，77-108，2011)：基于非线性晶体参量过程的频率上转换，可获得较高的转换效率，但是由于泵浦光极强以及寄生的非线性效应，使其暗记数非常大；基于稀土元素离子或过渡金属离子亚稳态中间能级的波长上转换，其转换效率较高，但是由于这些亚稳态中间能级均是固定的，所以其可探测的波长范围非常窄；基于俄歇复合的波长上转换，也可获得较高的转换效率，但是只能应用于近红外波段的探测，无法探测中、远红外光；基于两步双光子吸收的波长上转换，其转换效率较低，只能应用于近红外波段的探测；基于QWIP+LED或QDIP+LED的波长上转换，其转换效率很高，但是由于其上转换机理是基于QWIP或QDIP的，故其暗记数水平无法优于QWIP或QDIP。

发明内容：