CN100424897C - 氮化镓基红外-可见波长转换探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由氮化镓(GaN)基材料制成的将多量子阱红外探测器和发光二极管串联耦合在同一块芯片上的红外-可见波长转换探测器。多量子阱红外探测器(QWIP)将红外辐射信号转化为红外光电信号，再经发光二极管转化为可见波段的光信号。本发明的优点是实现了偏压下长波热红外向可见光波段的上转换，人眼可以直接观测，简化了探测***的结构。本发明器件所用材料制备工艺成熟，材料均匀性好。

Description

氮化镓基红外-可见波长转换探测器
技术领域
本发明涉及红外探测器和发光二极管，具体是指由氮化镓(GaN)基材料制成的将红外探测器和发光二极管串联耦合在同一块芯片上的红外-可见波长转换探测器。
背景技术
传统的红外探测器多采用焦平面阵列技术。阵列中每个光电探测单元的信号送入外部硅读出电路，并转换成视频信号输出。此结构要求每一个光敏元在硅读出电路上形成一个相应的互联点。因此要准确地将焦平面阵列上的信息转换到与之相应的极大量的互联节点上，这种结构对器件的互联、制冷功耗、读出电路提出了很高的要求，也使得这种不同材料间的集成***昂贵和不可靠，尤其易受到制冷与非制冷循环过程的热冲击影响。
近年来，随着GaN基量子阱材料制备工艺与发光二极管技术的成熟，已使得串联生长GaN/AlGaN量子阱子带跃迁的红外探测器和GaN基单量子阱带间跃迁的发光二极管的上转换器件成为可能。该器件可通过GaN基量子阱红外探测器和发光二极管的有效耦合，将红外光转换成人眼最敏感的绿光，实现人眼的直接观测。它既比窄带材料HgCdTe器件有更成熟的材料制备工艺和更好的材料均匀性；又避免了一般红外探测器面临的读出电路互联和大制冷量需求问题，还省却了通常基于GaAs/AlGaAs量子阱的中远红外转换到近红外所需的CCD成像设备，简化了***结构，降低了成本。
发明内容
基于上述已有的状况，本发明的目的是提出一种GaN基材料的多量子阱红外探测器与可见光发光二极管串联耦合的红外-可见波长转换探测器。
为达到上述目的，本发明的GaN基红外-可见波长转换探测器包括衬底1，在衬底上依次排列生长下电极层2、多量子阱红外探测器3、AlaGa1-aN过渡层4、单量子阱发光二极管5、上电极层6。
所说的多量子阱红外探测器3是由交替生长50个周期的AlbGa1-bN势垒层/GaN势阱层组成，最后加一层AlbGa1-bN势垒层结束。GaN势阱层和AlbGa1-bN势垒层的层厚和b的取值与所要探测的红外波长有关。
所说的单量子阱发光二极管5依次由InxGa1-xN势垒层、InyGa1-yN有源势阱层和AlaGa1-aN势垒层组成。发光二极管的发光波长可以通过调节未掺杂的InyGa1-yN有源层中的y值，从0.2到0.7，使其改变发光波长从蓝色到黄色。
本发明采用AlbGa1-bN/GaN作为红外探测器多量子阱生长材料，其原因是它具有较大的导带带阶，可以使得子带间跃迁的吸收波长有较大跨度(0.7微米～14微米)，通过调节GaN量子阱厚度，AlGaN势垒高度，可使GaN量子阱子能带间的能量恰好对应于被探测的红外辐射光子能量，同时第一激发态处在与势垒共振的准束缚态或高于势垒的连续态中，即可用于红外探测。在单量子阱绿光发光二极管中，利用有源势阱层InyGa1-yN的禁带宽度随In含量变化而变化(1.9～3.5eV)，适当调节组分，可实现带间人眼最敏感的绿光发射，即可做成绿光波段的发光二极管。所以选择GaN基材料既可生长量子阱红外探测器，又可制备绿光波段的发光二极管，能很好实现耦合集成。
本发明器件的基本工作过程是：当在该串联器件两端加上恒定偏压，该偏压将同时作用在多量子阱红外探测器(QWIP)器件和绿光发光二极管(LED)器件上。当红外光通过光学***进入QWIP时，QWIP吸收红外辐射引起子带跃迁产生可移动的自由电子。这些电子的一部分在电场作用下注入LED，在LED的有源区与空穴复合，发出可见光。由于QWIP是光导型器件，当吸收不同强度的红外辐射时，其电阻值的降低亦不同，所以加在LED两端的电压也相应不同，致使LED发光强度也不同。所以如果入射的辐射不均匀，QWIP的电子注入LED后，引起与之相应的输出可见光的强度也不均匀。即在无明显光学串音的情况下，输出绿光的空间分布重复了QWIP中光生电流的分布，也顺次重复了输入红外辐射的空间分布。简言之通过这个串联的无光敏元器件，实现了热红外光子到可见光绿光光子的上转换，即实现了把红外图像转换成眼睛可以直接观测的绿光波段图像。
该上转换器件中的量子阱红外探测器既可为N型，也可为P型，只须注意所加偏压与LED端相应即可。但由于跃迁选择定则，N型QWIP必须在其上刻蚀光栅以使垂直入射的红外光得以有效吸收。
本发明的器件有如下积极效果和优点：
1.较之于一般的中远红外转换到近红外的上转换器件所需要的CCD成像设备，而本发明的器件人眼可以直接观测，简化了***结构。
2.较之于传统的红外探测器，本发明的器件无需分离的光敏元，避免了Si读出电路，从而不涉及电路互联问题，避免了通常焦平面器件需要较大制冷量的问题，降低了器件制备的技术难度与成本。
3.本发明器件所用材料制备工艺成熟，材料均匀性好。
附图说明
图1为本发明探测器的结构和功能实施示意简图。
图2为多量子阱红外探测器-绿光发光二极管的能带和物理过程示意图。
具体实施方式
下面以N型QWIP和绿光LED串联耦合的红外-可见波长转换探测器为实施例，其中N型QWIP的红外吸收峰设定在2.9微米附近，LED的EL谱的峰值波长在525nm，结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
本发明的探测器是利用半导体材料外延的典型技术，如分子束外延技术，金属有机化学气相沉积技术等，在Al2O3蓝宝石衬底1上依次排列生长：
n*-GaN下电极层2；
交替生长50个周期的10nm厚Al0.35Ga0.65N势垒层(51层)和3.5nm厚GaN势阱层(50层)，其中GaN量子阱中的掺杂浓度是8＊1017cm-3，由此形成一个多量子阱的红外探测器3；
100nm厚的Al0.1Ga0.9N过渡层4；
接着是50nm厚的N型In0.05Ga0.95N势垒层及2nm厚的未掺杂的In0.43Ga0.57N有源层和100nm的P型Al0.1Ga0.9N势垒层，形成一个单量子阱发光二极管5；
接着是200nm的P型GaN上电极层6，并在其上刻蚀出光栅层7，完成红外-可见波长转换探测器的制备。
本实施例选择单量子阱LED是源于单量子阱相比于双异质结构的LED有更高的发光强度和色纯度。

Claims (2)

1. 一种氮化镓基红外-可见波长转换探测器，包括衬底(1)，其特征在于：
在衬底(1)上依次排列生长下电极层(2)、多量子阱红外探测器(3)、AlaGa1-aN过渡层(4)、单量子阱发光二极管(5)、上电极层(6)；
所说的多量子阱红外探测器(3)是由交替生长50个周期的AlbGa1-bN势垒层/GaN势阱层，最后加一层AlbGa1-bN势垒层组成；GaN势阱层和AlbGa1-bN势垒层的层厚和b的取值与所要探测的红外波长有关；
所说的单量子阱发光二极管(5)依次由InxGa1-xN势垒层、InyGa1-yN有源势阱层和AlaGa1-aN势垒层组成，发光二极管的发光波长可以通过调节未掺杂的InyGa1-yN有源层中的y值，从0.2到0.7，使其改变发光波长从蓝色到黄色。
2. 根据权利要求1的一种氮化镓基红外-可见波长转换探测器，其特征在于：所说的多量子阱红外探测器既可为N型，也可为P型，若是N型则需在上电极层(6)的上部通过刻蚀形成光栅层(7)。
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