[发明专利]红外上转换成像或探测器件及其实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体红外探测和成像器件，具体涉及一种基于红外光子频率上转换的红外成像或探测器件及其实现方法。 

背景技术

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对零度，就总是在不断地发射辐射能。因此，从原理上讲，只要能收集并探测这些辐射能，就可以通过重新排列来自探测器的信号形成与景物辐射分布相对应的红外图像。

硅电荷耦合器件(Si CCD)是一种重要的固态成像器件。上世纪60 年代末期，美国贝尔实验室的G. E. Smith 等人在研究磁泡时，发现了电荷通过半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷耦合这一新概念和一维CCD器件模型, 同时预言了CCD 器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。经过近几十年的发展，多种类型规格的线阵CCD 传感器已经研制成功，它们一般具有高速度、高灵敏度和宽动态范围等特点。在可见光到近红外波段(至1.1微米)，Si CCD 是性能良好的、低成本的成像器件。除了硅CCD之外，人们也开发出了其他硅基成像器件，包括互补型金属氧化物半导体（CMOS）器件，它具备更低的成本和能耗，更好的性价比和自由度，因而越来越成为主流的成像技术。在紫外及波长更短的波段，可以通过在硅基成像器件表面涂一层磷光物质来实现探测成像。然而，对于波长超出硅基器件响应范围的红外光，目前还没有一种普遍采用的、低成本、有效的成像器件。

在中红外至远红外波段发展较为成熟的传统探测器有碲化铟（InSb）红外探测器，和碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。HgCdTe 和InSb 红外焦平面阵列在制备中对材料的要求非常苛刻，因而成品率甚低，且价格昂贵；又由于其电子有效质量小等固有属性，其隧道电流较大，造成与CCD 耦合困难，信号处理和使用不便。最近三十年来，随着低维材料技术的发展，出现了量子阱红外探测器这一新技术，并且得到快速发展和广泛应用，是在半导体超晶格物理和分子束外延的基础上实现的，在红外成像方面的应用也越来越多。但是需要指出的是，上述的主流红外成像大都是基于红外探测器阵列及读出电路系统的，由于读出电路的复杂及昂贵，导致红外成像的成本很高，因而寻求一种低成本，有效的红外成像方法对红外成像的普及应用具有重要的意义。

一种新的思路是利用红外上转换器件来实现红外成像，它基于光子频率上转换的概念，可以将入射的长波长的光转换为短波长的光，然后用硅电荷耦合器件对转换过来的短波长光进行探测，即可实现长波长光的上转换成像。利用该方法实现红外成像，不需要设计特殊的读出电路，因而降低了红外成像的成本。红外上转换器件通常包含红外探测器和发光二极管两个部分。

红外上转换器件最重要的技术参数是上转换效率，它的定义是出射的高能量红外光通量与入射的低能量红外光通量只比，决定于红外探测器的响应率和发光二极管的发光效率。目前红外探测器这一部分已经发展到较为成熟的程度，例如近红外探测器的吸收效率通常达90%以上，响应率大约为1A/W。在LED方面，经过特别优化的LED的内量子效率可接近100%，也就是说，对于每一对注入到复合区的电子空穴对，就可以产生一个光子。但是在实际的LED 结构中，由于半导体材料的折射率大于空气的折射率，在激活层中复合产生的光子向外发射时将发生内部全反射，只有一小部分光子可以直接发射出去，大部分发射角大于临界角的光子将被困在LED 中。上转换器件中最成熟的LED材料是砷化镓（GaAs）材料，其折射率为n≈3.54，光子发射的临界角非常小。由Snell 定律知光子的发射方向只有在4π/(4×3.542)立体角范围内，才可以直接发射出去，因而光子直接出射的效率只有约2%。故而LED的实际发光效率很低，约为0.02 W/A。综合下来，器件的上转换效率也很低，约为百分之一 W/W数量级。 

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提出一种红外上转换成像或探测器件及其实现方法，是基于红外光子频率上转换的原理，该红外探测或成像器件，大大提高LED的发光效率和器件的红外上转换效率，且结构简单、体积小、成本低。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种红外上转换成像或探测器件，主要包括红外上转换器件和硅基光电探测或成像器件两部分组成：

其中红外上转换器件将红外光信号转换为近红外光子；

上转换得到的近红外光子由硅基光电探测或成像器件进行接收探测；