專利名稱：基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件、轉(zhuǎn)換方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體太赫茲成像技術(shù)，具體涉及ー種基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件。
背景技術(shù)：
太赫茲波是是指頻率在0. ITHz到IOTHz范圍的電磁波，波長(zhǎng)大概在0. 03到3mm范圍，這一波段介于微波與紅外之間。上個(gè)世紀(jì)80年代以前，人們對(duì)太赫茲波段的研究很少，主要是限制因素在于沒有性能優(yōu)良效果靈敏的太赫茲輻射源和探測(cè)成像器件。進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)80年代以后，隨著新材料和新技術(shù)的發(fā)展，尤其是特別是超快技術(shù)和半導(dǎo)體量子器件的發(fā)展，太赫茲技術(shù)得以迅速發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)涌現(xiàn)了太赫茲研究的熱潮。2004年，美國(guó)政府將太赫茲科技評(píng)為“改變未來世界的十大技木”之四，而日本更是將太赫茲技術(shù)列 為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。太赫茲成像技術(shù)在國(guó)家安全、機(jī)場(chǎng)安檢、健康體檢、痕量物質(zhì)分析等各方面具備重要的應(yīng)用前景，意義重大。目前尚且沒有性能優(yōu)良同時(shí)價(jià)格低廉的太赫茲成像設(shè)備。現(xiàn)有的太赫茲成像技術(shù)的核心器件為ニ維紅外焦平面陣列，由數(shù)萬個(gè)單元探測(cè)器的集成而得，將其置于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，直接獲取ニ維紅外圖像。焦平面陣列通常采用混成式結(jié)構(gòu)，即探測(cè)器陣列與信號(hào)讀出電路基于不同材料體系，分別生長(zhǎng)制備，此后兩者再通過特殊エ藝集成獲得。探測(cè)器陣列中的每ー個(gè)単元都通過電極(通常為銦柱)與讀出電路相聯(lián)?；斐墒郊t外焦平面陣列結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大、成本昂貴。在此前提下，尋求ー種性能優(yōu)良、成本低廉的太赫茲成像方法對(duì)太赫茲成像的普及應(yīng)用具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述問題，本發(fā)明提出一種基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件?；诠庾宇l率上轉(zhuǎn)換的概念，可以將入射的太赫茲光轉(zhuǎn)換為近紅外光或者可見光，然后利用CCD或者CMOS器件對(duì)轉(zhuǎn)換過來的短波長(zhǎng)光進(jìn)行探測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的上轉(zhuǎn)換成像。其核心在干，將太赫茲光子轉(zhuǎn)換為近紅外光子或者可見光子，然后利用硅基近紅外成像器件進(jìn)行探測(cè)成像?！N基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件，包括太赫茲上轉(zhuǎn)換器件和娃基成像器件，其中，太赫茲上轉(zhuǎn)換器件用于將太赫茲ニ維圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外或者可見光二維圖像信號(hào)；硅基成像器件用于將轉(zhuǎn)換得到的近紅外或者可見光二維圖像信號(hào)進(jìn)行接收探測(cè)。其中，太赫茲上轉(zhuǎn)換器件包括太赫茲探測(cè)器和發(fā)光二極管，其中太赫茲探測(cè)器用以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲光子的接收和探測(cè)，將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將由所述太赫茲探測(cè)器所產(chǎn)生的光電子會(huì)遷移到發(fā)光二極管的工作區(qū)與空穴復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)為I微米以下的近紅外光子或者可見光光子。較佳地，太赫茲探測(cè)器為半導(dǎo)體量子阱太赫茲探測(cè)器。將太赫茲上轉(zhuǎn)換器件的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨設(shè)置，再通過晶片鍵合技術(shù)將這兩個(gè)平面結(jié)合在一起，或，紅外探測(cè)器LED的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨，將它們緊壓在一起，中間只留有微米尺寸的間隙，在間隙見利用光膠進(jìn)行粘合。
硅基成像器件用來探測(cè)紅外上轉(zhuǎn)換器件所發(fā)出的近紅外光子，其為以下ー種若是用來實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)，所用的硅基光電探測(cè)或成像器件為硅光電探測(cè)器；若是用來實(shí)現(xiàn)紅外成像，所用硅基光電探測(cè)或成像器件為硅CCD或者硅CMOS器件。一種基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像方法，包括將太赫茲光子轉(zhuǎn)換為近紅外光子或者可見光子，利用硅基近紅外成像器件進(jìn)行探測(cè)成像。其進(jìn)ー步包括太赫茲探測(cè)器對(duì)太赫茲光子的接收和探測(cè)，將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將由所述太赫茲探測(cè)器所產(chǎn)生的光電子會(huì)遷移到發(fā)光二極管的工作區(qū)與空穴復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)為I微米以下的近紅外光子或者可見光光子；硅基成像器件探測(cè)紅外上轉(zhuǎn)換器件所發(fā)出的近紅外光子或可見光光子。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)I.與現(xiàn)有的太赫茲成像技術(shù)——焦平面探測(cè)器——相比較，本發(fā)明的太赫茲上轉(zhuǎn)換成像技術(shù)無需制備分離像元，也無需制備讀出電路，可以大大降低成像技術(shù)難度和成本。2.本發(fā)明中的太赫茲上轉(zhuǎn)換器件基于半導(dǎo)體III-V材料，可以利用金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)和分子束外延(MBE)直接在半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)，然后利用光刻、刻飾等標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體技術(shù)手段制備，流程標(biāo)準(zhǔn)，有益于大批量、低成本生產(chǎn)。3.優(yōu)化條件下，本發(fā)明的太赫茲上轉(zhuǎn)換器件可以具備較高的性能，獲得很好的信噪比和成像效果。


圖I是本發(fā)明的太赫茲上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)示意圖之ー圖2是本發(fā)明的太赫茲上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)示意圖之ニ圖3利用光膠粘合制備得到的近紅外上轉(zhuǎn)換成像器件實(shí)例
具體實(shí)施例方式在可見光和I微米以下的近紅外波段，具備性能優(yōu)異，價(jià)格低廉的成像器件，即為硅電荷耦合器件(Si CCD)，具有高速度、高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)。除了硅CCD之外，人們也開發(fā)出了其他硅基成像器件，包括互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)器件，它具備更低的成本和能耗，更好的性價(jià)比和自由度，因而越來越成為主流的成像技木。在紫外及波長(zhǎng)更短的波段，可以通過在硅基成像器件表面涂ー層磷光物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)探測(cè)成像。針對(duì)此問題，我們提出一種新的太赫茲成像思路——太赫茲上轉(zhuǎn)換成像。基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的概念，可以將入射的太赫茲光轉(zhuǎn)換為近紅外光或者可見光，然后利用CCD或者CMOS器件對(duì)轉(zhuǎn)換過來的短波長(zhǎng)光進(jìn)行探測(cè)，即可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波長(zhǎng)光的上轉(zhuǎn)換成像。利用該方法實(shí)現(xiàn)太赫茲成像，無需制備ニ維太赫茲焦平面陣列，不需要設(shè)計(jì)特殊的讀出電路，可以顯著降低太赫茲成像的技術(shù)難度和成本，具備重要的實(shí)用價(jià)值。圖I顯示了本發(fā)明的太赫茲上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)示意圖之ニ，主要包括太赫茲上轉(zhuǎn)換器件(I)，光具組(2 )，和硅基成像器件(3 )這三部分組成。其中太赫茲上轉(zhuǎn)換器件(I)將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外光子；上轉(zhuǎn)換得到的近紅外光子由硅基成像器件(3)進(jìn)行接收探測(cè)，太赫茲上轉(zhuǎn)換器件和硅基成像器件之間利用光具組(2)進(jìn)行光互聯(lián)。太赫茲上轉(zhuǎn)換器件I或以包括太赫茲探測(cè)器和發(fā)光二極管，其中太赫茲探測(cè)器用以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲光子的接收和探測(cè)，將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將由所述太赫茲探測(cè)器所產(chǎn)生的光電子會(huì)遷移到發(fā)光二極管的工作區(qū)與空穴復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)為I微米以下的近紅外光子或者可見光光子。另外，太赫茲探測(cè)器可以為半導(dǎo)體量子阱太赫茲探測(cè)器。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)說明圖I顯示了本發(fā)明的太赫茲上轉(zhuǎn)換成像系統(tǒng)示意圖之一，主要由太赫茲上轉(zhuǎn)換器件(4)和硅基成像器件(6)這兩部分組成，其中太赫茲上轉(zhuǎn)換器件(4)將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外光子；上轉(zhuǎn)換得到的近紅外光子由硅基成像器件(6)進(jìn)行接收探測(cè)。太赫茲上轉(zhuǎn)換器件(4)和硅基成像器件(6)集成在一起，集成為ー個(gè)整體，經(jīng)紅外上轉(zhuǎn)換器件上轉(zhuǎn)換而獲得的近紅外光子可以直接耦合進(jìn)入硅基光電探測(cè)或成像器件。具體的集成方法包括a.將太赫茲上轉(zhuǎn)換器件的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨，然后通過晶片鍵合技術(shù)將這兩個(gè)平面結(jié)合在一起；b.或者，將紅外探測(cè)器LED的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨，然后將它們緊壓在一起，中間只留有微米尺寸的間隙，在間隙見利用光膠(5)進(jìn)行粘合；以下就說明基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件如何制備出來的方法。圖3顯示了本發(fā)明的晶片鍵合技術(shù)制備的太赫茲上轉(zhuǎn)換器件的ー個(gè)實(shí)例，在GaAs襯底(7)上依次生長(zhǎng)(8 )未摻雜的GaAs緩沖層(9) n型摻雜的GaAs下電極層( 10)勢(shì)阱太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器激活層，具體包括4. 8nm 厚度的 Al。. 15GaQ. 85As 勢(shì)魚層。9. 6nm厚度的GaAs勢(shì)講層2nm 厚度的 Al。. 15Ga0.85As 勢(shì)魚層7. 4nm厚度的GaAs勢(shì)講層 4. 2nm 厚度的 Al。. 15GaQ. 85As 勢(shì)魚層16. Inm厚度的GaAs勢(shì)講層,勢(shì)講層中心的3. 6nm進(jìn)行Si摻雜,摻雜濃度為IO17CnT3將上述結(jié)構(gòu)重復(fù)若干個(gè)周期，量子阱探測(cè)器的光吸收系數(shù)正比于周期數(shù)，為實(shí)現(xiàn)較好的探測(cè)效果，周期數(shù)一般需要大于10(11) AlxGa1^xAs 勢(shì)壘層； (12) 400nm厚的p型摻雜GaAs,摻雜成分為Ge
(13) 350nm 厚度的 AlGaAs 層(x=0. I )，Be 慘雜濃度 2 X IO19Cm 3(14) 50nm 的漸變 AlGaAs M(x=0. I 至 0. 3)，Be 摻雜濃度為 2 X IO1W ；X1019(15) IOOnm的AlGaAs層(x=0. 3)，Be摻雜濃度漸變，漸變范圍為2 X IO19CnT3至
2X IO18CnT3 ；(16) 40nm 的漸變 AlGaAs 層(x=0. 3 至 0. 15),未摻雜；(17) 400nm 的 GaAs 層，LED 發(fā)光功能層，Be 摻雜濃度為 I X IO18CnT3 ；(18) 40nm 的漸變 AlGaAs 層(x=0. 15 至 0. 3),未摻雜；(19) IOOnm 的 AlGaAs M(x=0. 3)，Si 摻雜濃度為 I X IO18CnT3 ；
(20) 50nm 的漸變 AlGaAs M(x=0. 3 至 0. 1)，Si 摻雜濃度為 2. 5 X IO18CnT3(21) 350nm 的 AlGaAs M(x=0. 3 至 0. 1)，Si 摻雜濃度為 2. 5 X IO18CnT3隨后，利用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體エ藝(光刻、刻蝕、切割、封裝等)制備尺寸和形狀符合要求的器件，在電極層(9)和(21)可以沉積電極，引出引線，用以對(duì)器件施加偏壓。這樣，我們就獲得了能夠?qū)⑻掌澒廪D(zhuǎn)換為近紅外光的太赫茲上轉(zhuǎn)換器件。
權(quán)利要求
1.一種基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件，其特征在于，包括太赫茲上轉(zhuǎn)換器件和硅基成像器件，其中， 太赫茲上轉(zhuǎn)換器件用于將太赫茲ニ維圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外或者可見光二維圖像信號(hào)；硅基成像器件用于將轉(zhuǎn)換得到的近紅外或者可見光二維圖像信號(hào)進(jìn)行接收探測(cè)。
2.如權(quán)利要求I所述的太赫茲成像器件，其特征在于，太赫茲上轉(zhuǎn)換器件包括太赫茲探測(cè)器和發(fā)光二極管，其中太赫茲探測(cè)器用以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲光子的接收和探測(cè)，將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將由所述太赫茲探測(cè)器所產(chǎn)生的光電子會(huì)遷移到發(fā)光二極管的エ 作區(qū)與空穴復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)為I微米以下的近紅外光子或者可見光光子。
3.如權(quán)利要求2所述的太赫茲成像器件，其特征在干，太赫茲探測(cè)器為半導(dǎo)體量子阱太赫茲探測(cè)器。
4.如權(quán)利要求I所述的太赫茲成像器件，其特征在于，將太赫茲上轉(zhuǎn)換器件的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨設(shè)置，再通過晶片鍵合技術(shù)將這兩個(gè)平面結(jié)合在一起。
5.如權(quán)利要求I所述的太赫茲成像器件，其特征在干，紅外探測(cè)器LED的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨，將它們緊壓在一起，中間只留有微米尺寸的間隙，在間隙見利用光膠進(jìn)行粘合設(shè)置。
6.如權(quán)利要求I所述的太赫茲成像器件，其特征在干， 硅基成像器件用來探測(cè)紅外上轉(zhuǎn)換器件所發(fā)出的近紅外光子，其為以下ー種 若是用來實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)，所用的硅基光電探測(cè)或成像器件為硅光電探測(cè)器； 若是用來實(shí)現(xiàn)紅外成像，所用硅基光電探測(cè)或成像器件為硅CXD或者硅CMOS器件。
7.一種基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像方法，其特征在于，包括 將太赫茲光子轉(zhuǎn)換為近紅外光子或者可見光子， 利用硅基近紅外成像器件進(jìn)行探測(cè)成像。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在干，進(jìn)ー步包括 太赫茲探測(cè)器對(duì)太赫茲光子的接收和探測(cè)，將太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將由所述太赫茲探測(cè)器所產(chǎn)生的光電子會(huì)遷移到發(fā)光二極管的工作區(qū)與空穴復(fù)合，產(chǎn)生波長(zhǎng)為I微米以下的近紅外光子或者可見光光子； 硅基成像器件探測(cè)紅外上轉(zhuǎn)換器件所發(fā)出的近紅外光子或可見光光子。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括 紅外探測(cè)器LED的發(fā)光面和硅基光電探測(cè)或成像器件的光接受面進(jìn)行打磨，將它們緊壓在一起，中間只留有微米尺寸的間隙，在間隙見利用光膠進(jìn)行粘合設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光子頻率上轉(zhuǎn)換的太赫茲成像器件，包括太赫茲上轉(zhuǎn)換器件和硅基成像器件，其中，太赫茲上轉(zhuǎn)換器件用于將太赫茲二維圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外或者可見光二維圖像信號(hào);硅基成像器件用于將轉(zhuǎn)換得到的近紅外或者可見光二維圖像信號(hào)進(jìn)行接收探測(cè)。其所要解決的技術(shù)問題是提供一種無像元太赫茲成像器件。它基于紅外光子頻率上轉(zhuǎn)換的原理，將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為近紅外光子，然后利用硅基成像器件實(shí)現(xiàn)探測(cè)和成像，這一方法能夠大大降低太赫茲成像的技術(shù)難度和成本。
文檔編號(hào)H01L31/16GK102832289SQ20121028727
公開日2012年12月19日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者劉惠春, 楊耀, 張?jiān)罗?申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)