[发明专利]基于光子频率上转换的太赫兹成像器件、转换方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体太赫兹成像技术，具体涉及一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件。

背景技术

太赫兹波是是指频率在0.1THz到10THz范围的电磁波，波长大概在0.03到3mm范围，这一波段介于微波与红外之间。上个世纪80年代以前，人们对太赫兹波段的研究很少，主要是限制因素在于没有性能优良效果灵敏的太赫兹辐射源和探测成像器件。进入上个世纪80年代以后，随着新材料和新技术的发展，尤其是特别是超快技术和半导体量子器件的发展，太赫兹技术得以迅速发展，在全世界范围内涌现了太赫兹研究的热潮。2004年，美国政府将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之四，而日本更是将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

太赫兹成像技术在国家安全、机场安检、健康体检、痕量物质分析等各方面具备重要的应用前景，意义重大。目前尚且没有性能优良同时价格低廉的太赫兹成像设备。现有的太赫兹成像技术的核心器件为二维红外焦平面阵列，由数万个单元探测器的集成而得，将其置于光学系统的焦平面上，直接获取二维红外图像。焦平面阵列通常采用混成式结构，即探测器阵列与信号读出电路基于不同材料体系，分别生长制备，此后两者再通过特殊工艺集成获得。探测器阵列中的每一个单元都通过电极（通常为铟柱）与读出电路相联。混成式红外焦平面阵列结构复杂，技术难度大、成本昂贵。在此前提下，寻求一种性能优良、成本低廉的太赫兹成像方法对太赫兹成像的普及应用具有重要的意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件。基于光子频率上转换的概念，可以将入射的太赫兹光转换为近红外光或者可见光，然后利用CCD或者CMOS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。其核心在于，将太赫兹光子转换为近红外光子或者可见光子，然后利用硅基近红外成像器件进行探测成像。

一种基于光子频率上转换的太赫兹成像器件，包括太赫兹上转换器件和硅基成像器件，其中，

太赫兹上转换器件：用于将太赫兹二维图像信号转换为近红外或者可见光二维图像信号;

硅基成像器件：用于将转换得到的近红外或者可见光二维图像信号进行接收探测。

其中，太赫兹上转换器件包括太赫兹探测器和发光二极管，其中：太赫兹探测器用以实现对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子。

较佳地，太赫兹探测器为半导体量子阱太赫兹探测器。

将太赫兹上转换器件的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨设置，再通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起，或，红外探测器LED的发光面和硅基光电探测或成像器件的光接受面进行打磨，将它们紧压在一起，中间只留有微米尺寸的间隙，在间隙见利用光胶进行粘合。

硅基成像器件用来探测红外上转换器件所发出的近红外光子，其为以下一种：若是用来实现红外探测，所用的硅基光电探测或成像器件为硅光电探测器；若是用来实现红外成像，所用硅基光电探测或成像器件为硅CCD或者硅CMOS器件。

一种基于光子频率上转换的太赫兹成像方法，包括：

将太赫兹光子转换为近红外光子或者可见光子，

利用硅基近红外成像器件进行探测成像。

其进一步包括：太赫兹探测器对太赫兹光子的接收和探测，将太赫兹光信号转化为电信号，并将由所述太赫兹探测器所产生的光电子会迁移到发光二极管的工作区与空穴复合，产生波长为1微米以下的近红外光子或者可见光光子；硅基成像器件探测红外上转换器件所发出的近红外光子或可见光光子。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.与现有的太赫兹成像技术——焦平面探测器——相比较，本发明的太赫兹上转换成像技术无需制备分离像元，也无需制备读出电路，可以大大降低成像技术难度和成本。

2.本发明中的太赫兹上转换器件基于半导体III-V材料，可以利用金属氧化物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）直接在半导体衬底上生长，然后利用光刻、刻饰等标准的半导体技术手段制备，流程标准，有益于大批量、低成本生产。

3.优化条件下，本发明的太赫兹上转换器件可以具备较高的性能，获得很好的信噪比和成像效果。

附图说明

图1是本发明的太赫兹上转换成像系统示意图之一

图2是本发明的太赫兹上转换成像系统示意图之二