氮化鎵基紅外－可見波長轉換探測器的製作方法

2023-04-25 12:41:06 2

專利名稱：氮化鎵基紅外－可見波長轉換探測器的製作方法
技術領域：
本發明涉及紅外探測器和發光二極體，具體是指由氮化鎵(GaN)基材料製成的將紅外探測器和發光二極體串聯耦合在同一塊晶片上的紅外—可見波長轉換探測器。
背景技術：
傳統的紅外探測器多採用焦平面陣列技術。陣列中每個光電探測單元的信號送入外部矽讀出電路，並轉換成視頻信號輸出。此結構要求每一個光敏元在矽讀出電路上形成一個相應的互聯點。因此要準確地將焦平面陣列上的信息轉換到與之相應的極大量的互聯節點上，這種結構對器件的互聯、製冷功耗、讀出電路提出了很高的要求，也使得這種不同材料間的集成系統昂貴和不可靠，尤其易受到製冷與非製冷循環過程的熱衝擊影響。
近年來，隨著GaN基量子阱材料製備工藝與發光二極體技術的成熟，已使得串聯生長GaN/AlGaN量子阱子帶躍遷的紅外探測器和GaN基單量子阱帶間躍遷的發光二極體的上轉換器件成為可能。該器件可通過GaN基量子阱紅外探測器和發光二極體的有效耦合，將紅外光轉換成人眼最敏感的綠光，實現人眼的直接觀測。它既比窄帶材料HgCdTe器件有更成熟的材料製備工藝和更好的材料均勻性；又避免了一般紅外探測器面臨的讀出電路互聯和大製冷冷量需求問題，還省卻了通常基於GaAs/AlGaAs量子阱的中遠紅外轉換到近紅外所需的CCD成像設備，簡化了系統結構，降低了成本。

發明內容
基於上述已有的狀況，本發明的目的是提出一種GaN基材料的多量子阱紅外探測器與可見光發光二極體串聯耦合的紅外—可見波長轉換探測器。
為達到上述目的，本發明的GaN基紅外—可見波長轉換探測器包括襯底1，在襯底上依次排列生長下電極層2、多量子阱紅外探測器3、AlaGa1-aN過渡層4、單量子阱發光二極體5、上電極層6。
所說的多量子阱紅外探測器3是由交替生長50個周期的AlbGa1-bN勢壘層/GaN勢阱層組成，最後加一層AlbGa1-bN勢壘層結束。GaN勢阱層和AlbGa1-bN勢壘層的層厚和b的取值與所要探測的紅外波長有關。
所說的單量子阱發光二極體5依次由InxGa1-xN勢壘層、InyGa1-yN有源勢阱層和AlaGa1-aN勢壘層組成。發光二極體的發光波長可以通過調節未摻雜的InyGa1-yN有源層中的y值，從0.2到0.7，使其改變發光波長從藍色到黃色。
本發明採用AlbGa1-bN/GaN作為紅外探測器多量子阱生長材料，其原因是它具有較大的導帶帶階，可以使得子帶間躍遷的吸收波長有較大跨度(0.7微米～14微米)，通過調節GaN量子阱厚度，AlGaN勢壘高度，可使GaN量子阱子能帶間的能量恰好對應於被探測的紅外輻射光子能量，同時第一激發態處在與勢壘共振的準束縛態或高於勢壘的連續態中，即可用於紅外探測。在單量子阱綠光發光二極體中，利用有源勢阱層InyGa1-yN的禁帶寬度隨In含量變化而變化(1.9～3.5eV)，適當調節組分，可實現帶間人眼最敏感的綠光發射，即可做成綠光波段的發光二極體。所以選擇GaN基材料既可生長量子阱紅外探測器，又可製備綠光波段的發光二極體，能很好實現耦合集成。
本發明器件的基本工作過程是當在該串聯器件兩端加上恆定偏壓，該偏壓將同時作用在多量子阱紅外探測器(QWIP)器件和綠光發光二極體(LED)器件上。當紅外光通過光學系統進入QWIP時，QWIP吸收紅外輻射引起子帶躍遷產生可移動的自由電子。這些電子的一部分在電場作用下注入LED，在LED的有源區與空穴複合，發出可見光。由於QWIP是光導型器件，當吸收不同強度的紅外輻射時，其電阻值的降低亦不同，所以加在LED兩端的電壓也相應不同，致使LED發光強度也不同。所以如果入射的輻射不均勻，QWIP的電子注入LED後，引起與之相應的輸出可見光的強度也不均勻。即在無明顯光學串音的情況下，輸出綠光的空間分布重複了QWIP中光生電流的分布，也順次重複了輸入紅外輻射的空間分布。簡言之通過這個串聯的無光敏元器件，實現了熱紅外光子到可見光綠光光子的上轉換，即實現了把紅外圖像轉換成眼睛可以直接觀測的綠光波段圖像。
該上轉換器件中的量子阱紅外探測器既可為N型，也可為P型，只須注意所加偏壓與LED端相應即可。但由於躍遷選擇定則，N型QWIP必須在其上刻蝕光柵以使垂直入射的紅外光得以有效吸收。
本發明的器件有如下積極效果和優點1.較之於一般的中遠紅外轉換到近紅外的上轉換器件所需要的CCD成像設備，而本發明的器件人眼可以直接觀測，簡化了系統結構。
2.較之於傳統的紅外探測器，本發明的器件無需分離的光敏元，避免了Si讀出電路，從而不涉及電路互聯問題，避免了通常焦平面器件需要較大製冷量的問題，降低了器件製備的技術難度與成本。
3.本發明器件所用材料製備工藝成熟，材料均勻性好。


圖1為本發明探測器的結構和功能實施示意簡圖。
圖2為多量子阱紅外探測器—綠光發光二極體的能帶和物理過程示意圖。
具體實施例方式
下面以N型QWIP和綠光LED串聯耦合的紅外—可見波長轉換探測器為實施例，其中N型QWIP的紅外吸收峰設定在2.9微米附近，LED的EL譜的峰值波長在525nm，結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細說明本發明的探測器是利用半導體材料外延的典型技術，如分子束外延技術，金屬有機化學氣相沉積技術等，在Al2O3藍寶石襯底1上依次排列生長n*-GaN下電極層2；交替生長50個周期的10nm厚Al0.35Ga0.65N勢壘層(51層)和3.5nm厚GaN勢阱層(50層)，其中GaN量子阱中的摻雜濃度是8*1017cm-3，由此形成一個多量子阱的紅外探測器3；100nm厚的Al0.1Ga0.9N過渡層4；接著是50nm厚的N型In0.05Ga0.95N壘層及2nm厚的未摻雜的In0.43Ga0.57N有源層和100nm的P型Al0.1Ga0.9N壘層，形成一個單量子阱發光二極體5；接著是200nm的P型GaN上電極層6，並在其上刻蝕出光柵層7，完成紅外—可見波長轉換探測器的製備。
本實施例選擇單量子阱LED是源於單量子阱相比於雙異質結構的LED有更高的發光強度和色純度。
權利要求
1.一種氮化鎵基紅外—可見波長轉換探測器，包括襯底(1)，其特徵在於在襯底(1)上依次排列生長下電極層(2)、多量子阱紅外探測器(3)、AlaGa1-aN過渡層(4)、單量子阱發光二極體(5)、上電極層(6)；所說的多量子阱紅外探測器(3)是由交替生長50個周期的AlbGa1-bN勢壘層/GaN勢阱層，最後加一層AlbGa1-bN勢壘層組成；GaN勢阱層和AlbGa1-bN勢壘層的層厚和b的取值與所要探測的紅外波長有關；所說的單量子阱發光二極體(5)依次由InxGa1-xN勢壘層、InyGa1-yN有源勢阱層和AlaGa1-aN勢壘層組成，發光二極體的發光波長可以通過調節未摻雜的InyGa1-yN有源層中的y值，從0.2到0.7，使其改變發光波長從藍色到黃色。
2.根據權利要求1的一種氮化鎵基紅外—可見波長轉換探測器，其特徵在於所說的多量子阱紅外探測器既可為N型，也可為P型，若是N型則需在上電極層(6)上刻蝕光柵層(7)。
全文摘要
本發明公開了一種由氮化鎵(GaN)基材料製成的將多量子阱紅外探測器和發光二極體串聯耦合在同一塊晶片上的紅外－可見波長轉換探測器。多量子阱紅外探測器(QWIP)將紅外輻射信號轉化為紅外光電信號，再經發光二極體轉化為可見波段的光信號。本發明的優點是實現了偏壓下長波熱紅外向可見光波段的上轉換，人眼可以直接觀測，簡化了探測系統的結構。本發明器件所用材料製備工藝成熟，材料均勻性好。
文檔編號H01L31/14GK1773732SQ20051003006
公開日2006年5月17日 申請日期2005年9月28日 優先權日2005年9月28日
發明者陸衛, 侯穎, 甑紅樓, 李寧, 夏長生, 張波, 陳平平, 陳效雙, 陳明法 申請人:中國科學院上海技術物理研究所, 上海藍寶光電材料有限公司