（凝聚态物理专业论文）ganalgan双带红外探测及光子频率上转换研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 i gan/algan 双带红外探测及光子频率上转换研究 摘 要 在可见光和近红外波段(最长到 1.1 m)，硅电荷耦合器件(si ccd) 是一种性能优异、并已成熟的成像器件。紫外及更短波段光的探测可通 过在 si ccd 上涂以合适的发光材料加以实现。波长较长的中红外波段， 一般采用 ingaas 列阵、insb 列阵、hgcdte 列阵或 gaas/algaas 量子 阱列阵来进行探测成像。对于波长更长的远红外/thz 波段，所用的成像 方法有扫描成像和实时成像等，但成像设备复杂昂贵，只应用在军事、 天文等特殊领域，目前还没有一种可以普遍采用的、低成本、有效的成 像方法。远红外/thz 波段常用的探测器是热敏探测器，如测辐射热仪和 焦热电探测器，但它们往往具有较长的响应时间，而且价格高昂。近年 来出现的远红外/thz 探测中灵敏度高，响应速度快的半导体光电探测 器，如 gaas 远红外同质结探测器(hiwip)和 gan/algan 异质结中红外/ 远红外双带探测器(heiwip)等，为实现半导体远红外/thz 探测成像提供 了新的思路。 基于光子频率上转换的概念， 在半导体远红外/ thz 探测器结构上面 集成生长一短波长发光二极管(led)，其发射波长位于 si ccd 的探测范 摘 要 ii 围之内, 由此串联而成的光学上转换结构在一恒定的偏压下， 入射的远红 外/ thz 信号被探测器检测到，引起探测器电阻的下降， 并导致发光二极 管上电压的增加，使 led 发出可被 si ccd 直接收集的短波长光，从而 可以实现远红外/ thz 信号的上转换成像。 新近研制的单周期 gan/algan heiwip 中红外/远红外双带探测器, 为我们提供了另外一种实现红外上转换成像的途径。通过光致发光光谱 确认 gan/algan 探测器结构中 algan 本征层的 al 组分，讨论了不同 al 组分 gan/algan 异质结的导带带阶界面功函数差。利用光学传递矩 阵方法以及有效质量理论分别模拟了单周期 gan/algan heiwip 中红外 和远红外波段的响应率， 计算结果与实验得到的双带响应率很好地符合。 在此基础上，设计了多周期结构的gan/algan heiwip 双带探测器。研 究发现相对于单周期结构，多周期结构的 heiwip 探测器在中红外和远 红外/thz 波段的响应都得到了明显加强。利用优化的多周期 heiwip 与 gan/algan 紫光 led 的集成结构，可以实现中红外/远红外双带上转换 成像。研究多周期 gan/algan 探测器与 gan/algan 发光二极管集成结 构的中红外和远红外光子频率上转换效率与gan 发射层厚度、 algan 本 征层厚度、紫光光子出射效率、内量子效率、空间频率和发射层掺杂浓 度间的关系，优化了器件结构参数。 gan/algan 半导体红外上转换成像器件具有简单、成本低、响应波 长可调等特点。由于红外探测成像在天体物理、红外物理和新材料探索 上海交通大学硕士学位论文 iii 等领域广泛的应用前景，这类半导体红外上转换成像器件具有潜在的应 用价值。 以上的研究得到了国家自然科学基金(60576067)和上海市启明星跟 踪计划(05qmh1411)的资助。 关键词: 双带红外探测、光子频率上转换、响应谱、光致发光谱、 gan/algan abstract iv gan/algan dual- band infrared detection and photon frequency upconversion abstract in the visible and near- infrared (nir) range (up to 1.1 m), the silicon charge- coupled devices (si ccds) are excellent and mature imaging sensors. ultraviolet and even beyond can be covered by coating a ccd with appropriate luminescent materials. for the detection imaging of mid- infrared (mir) light, the arrays based on insb, ingaas, hgcdte or gaas/algaas quantum well photodetectors are always employed. in the far- infrared (fir)/thz region, the scanning imaging and real- time imaging mehods are mainly used, but they are costly and only applied in special fields, such as military, astronomy, and so on. up to now, few widely used and efficient imaging methods for fir/thz radiation have been available. the heat detectors can be used to detect the fir light, such as bolometer and pyroelectric, but they have long response time and high prices. some sensitive semiconductor fir/thz photodetectors realized these years, like gaas fir homojunction photodetector (hiwip) and gan/algan heterojunction mir/fir dual- band photodetector (heiwip), provide a new way for implementing the low- cost and efficient fir/thz imaging. 上海交通大学硕士学位论文 v based on the concept of photon frequency upconversion, integrating a semiconductor fir/thz photodetector with a short wavelength light emitting diode (led), the emission wavelength of which falls in the efficient imaging range of si ccd, we can carry out the semiconductor fir/thz upconversion imaging. the fir/thz imaging mechanism can be described as: under a certain bias, due to the reduction of the photodetector resistance upon fir/thz radiation, one can expect the increase of the potential drop across the led, the upconverted image of the fir/thz object is realized by the short wavelength emission from led directly imaged by the si ccd. the recently realized single- period gan/algan heiwip mir/fir dual- band photodetector provides a new way to implement fir/thz upconversion imaging. we have carried out a detailed investigation on dual- band (mid- and far- ) infrared detection and photon frequency upconversion in gan/algan heterojunction structures. we deduce the al composition in intrinsic algan barrier layer through photoluminescence spectroscopy, and evaluate the conduction bandgap interfacial workfunction in gan/algan with different al compositions. based on the mid- and far- infrared responsivity simulation of single- period gan/algan heterojunction detector, we have investigated the mid- and far- infrared photon frequency upconversion efficiencies of multi- period gan/algan abstract vi heterojunction detectors integrated with gan/algan violet light emitting diodes in relation with the gan emitter layer thickness, intrinsic algan barrier layer thickness, violet photon extraction efficiency, internal quantum efficiency, spatial frequency and gan emitter doping concentration. the present investigation has shown that gan- based infrared upconversion devices have high upconversion efficiency with good optoelectronic application prospect. therefore, the advantages of the gan/algan semiconductor ir imaging devices are low- cost, simple, and wavelength- tunable. due to the wide applications of ir detection imaging in various areas, such as space astronomy、infrared physics、spectroscopy、new materials、and so on, the semiconductor ir upconversion imaging devices have potential application values. this work is sponsored by the natural science foundation of china under contract no. 60576067, shanghai post rising- star program under contract no. 05qmh1411. keywords: dual- band infrared detection, photon frequency upconversion, responsivity, photoluminescence, gan/algan 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景 红外探测器是指将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件。红外辐射是 波长介于可见光与微波之间的电磁波，人眼察觉不到。要察觉这种辐射的存在并测 量其强弱，必须把它转变成可以察觉和测量的其他物理量。一般说来，红外辐射照 射物体所引起的任何效应，只要效果可以测量而且足够灵敏，均可用来度量红外辐 射的强弱。现代红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输 出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。 红外物理是研究红外辐射与物质相互作用的学科。当前人们研制和应用的光 电器件主要有四大类型：红外探测器，红外光发射器，非线性光学元件，红外传输 元件。对这些红外光电元器件的物理及其应用研究，构成红外物理和技术研究的重 要内容。近年来，人们对各类器件，特别是大规模红外焦平面列阵、中红外波段激 光器、红外非线性器件等需求的增加，以及对各类器件性能最优化要求的提高，使 得对红外光电转化、电光转化、光光转化规律、元器件物理的研究也提出了越来越 高的要求。 红外和亚毫米波段(30- 1000 m)蕴藏着重要的信息，有着重要的意义。比如半导 体中的声子极化激元，自由载流子的吸收，以及各种带内跃迁过程，还包含了天体 运动和固体红外材料中的许多信息，如重要元素碳、氢、水的分子和原子发射线， 星际之间的辐射和载流子间的跃迁等，所以高性能的远红外探测器在天体物理、红 外物理和新材料探索等研究上具有广泛的应用前景，如在 nasa 的空间红外望远镜 第一章 绪论 2 建造计划。响应波长大于 50 m的探测器大都很昂贵且较难研制。半导体光电探测 器是红外探测中最灵敏、响应最快的一类，探测率很高。随着晶体材料生长技术的 不断完善， 通过控制不必要的杂质和改进电极的制造工艺, 已能生产大量灵敏且又稳 定的半导体探测器。这些改进一方面依赖于半导体工业的发展，另一方面也是与红 外天体物理的研究需求相适应的。但是由于材料特性的限制，目前硅基非本征半导 体红外探测器的截止波长最长也只有 40 m。 虽然人们已尽了最大的努力通过加压力 使锗基非本征半导体红外探测器的截止波长超过 100 m，但在制造大规模列阵方面 锗具有许多技术上的困难。 硅电荷耦合器件(si ccd)是一种性能优异、并已成熟的可见及近红外光(最长到 1.1 m)成像器件1，紫外及更短波段光的探测成像可通过在 si ccd上涂以合适的发 光材料加以实现。对于波长超过 si ccd响应范围的探测成像，一般根据所需波段采 用不同种类的成像器件：inas 或 ingaas 列阵探测 1 3 m 波段；insb 和 hgcdte 列 阵探测 3 12 m波段；近十几年来迅猛发展的以 gaas/algaas 为代表的量子阱红外 探测器(qwip) 适用于 9 15 m波段2；对于 15 30 m波段，si阻挡型非本征半导 体探测器(bibs)是较好的选择，具有较高灵敏度和量子效率的 si:as bib 焦平面列阵 可收集波长至 28 m3。 远红外/thz辐射通常指的是波长在 30 m3 mm (频率在 0.110 thz) 之间的电 磁波, 其波段在微波和红外光之间。 2 0 世纪 8 0 年代中期以前, 由于缺乏有效的产生方 法和检测手段，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限。近十几年来，超快 激光技术的迅速发展，为远红外/thz 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发源，使远 红外辐射的产生和应用得到了蓬勃发展4- 6。远红外/thz波段包含了天体运动、固体 红外材料中的许多信息，如重要元素碳、氢、水的分子和原子发射线，星际之间的 辐射和载流子间的跃迁等，远红外探测及成像在天体物理、红外物理和新材料探索 等研究方面具有广泛的应用前景7- 8。 由于远红外/thz 辐射产生的信号很微弱，对波的探测非常困难。此外，由于远 红外/thz 波段的光子能量很小，信号很容易受到环境热噪声的干扰，所以需要高灵 上海交通大学硕士学位论文 3 敏度的探测手段探测远红外信号。远红外/thz 波段商业化的探测器是热敏探测器， 如测辐射热和焦热电探测器，但它们往往具有较慢的时间响应，且价格昂贵。对于 红外探测中最灵敏、响应最快的半导体光电探测器，常用的是 ge 基非本征半导体远 红外探测器。 虽然人们已尽了最大的努力通过加压力使 ge 基非本征半导体远红外探 测器的截止波长超过 100 m，但在制造大规模列阵方面锗具有许多技术上的困难9， 已报道研制成功的也仅仅是 20 3 不加压 ge:ga 列阵10和 5 5 加压 ge:ga 列阵11， 显然达不到高质量成像的要求。 目前所应用的远红外/thz 探测成像技术主要有：透射型(反射型)扫描成像和远 红外/thz实时成像。 透射型(反射型)扫描成像所依据的基本原理是： 透过成像样品(或 从样品反射)的远红外/thz电磁波强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布，将 透射(反射)远红外/thz 电磁波强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的处理 和分析，就能得到远红外/thz 图像12,13。用电光晶体和 ccd 实现的远红外/thz实 时成像与扫描成像相比，可以更快地进行信息的提取14，它的基本原理是：利用电 光晶体对远红外/thz辐射进行转换，然后用ccd 来捕捉转换过来的远红外信号， 由 于每个像素点所对应的电光晶体的折射率变化是由远红外/thz 电场的强度所决定 的，当另一束激光穿过电光晶体时，远红外/thz 所引起的晶体折射率的变化将会调 制通过电光晶体的激光，因而远红外/thz 信息可以被转化为光频信息，进而实现远 红外/thz成像。然而在较长一段时间内，这些远红外/thz成像技术应用中的障碍在 于设备非常复杂，并且价格昂贵，对图像信息的分析和处理技术也有待进一步实用 化，因此限制了远红外/thz成像的普遍应用。 上世纪六十年代提出并在 ge/gaas 异质结器件中实现的光子频率上转换概念， 为实现一种可以广泛采用的、有效的、低成本红外成像器件开辟了新的途径15，此 概念原则上适用于所有波长长于 si ccd 探测范围的红外辐射。基于光子频率上转 换，上世纪九十年代中期以来，加拿大国家研究院的刘惠春博士研究组成功地将 gaas/algaas qwip 与发光二极管(led)串联集成起来实现了中红外光(9 m)向近 红外光(0.8 0.9 m)的上转换成像16- 19，并取得了较好的成像效果，同时他们还进行 了近红外(1.5 m)向更短波长的上转换成像研究20- 23。在这种红外上转换成像体系 第一章 绪论 4 中，要想获得较好的成像效果，整个光学上转换器件的有源结构要求很薄，并且到 达发光二极管表面的探测器光生载流子在垂直电场方向的运动距离以及发光二极管 激活层中载流子的径向扩散长度必须很短。根据衍射极限，上转换器件的有源结构 厚度，载流子在垂直电场方向上的运动距离，以及 led 激活层中载流子的扩散长度 小于所探测的红外波长即可。 由分子束外延生长的光学上转换器件结构厚度小于 4 5 m，总的有源结构更薄，而且对于长波长的红外光，这些要求很容易满足。 在这种背景下，新型 gan/algan 异质结中红外/远红外双带探测器的研制成功 24- 26，为进行半导体远红外/thz探测成像提供了新的思路。本文提出了半导体远红 外/thz上转换成像器件的概念， 将半导体远红外探测器与短波长led串联集成起来， 利用一个光电光的转换过程，能够将远红外/thz 辐射转换为可被 si ccd 直接 探测的短波长的光，从而实现远红外/thz 辐射的上转换成像。值得指出的是，这种 远红外/thz 上转换成像方法有许多优点：首先，可采用常规器件制备方法制作光学 上转换器件单元，利用大尺寸(厘米量级) 光学上转换器件单元自然的载流子密度分 布与 si ccd 结合可直接形成远红外/thz 上转换成像器件，从而避免将大面积成像 仪分成许多个像素并且每个都制作电极(接线柱金属焊接)的复杂和昂贵；其次，这种 远红外/thz 成像器件不需要任何特殊的混合读出电路，成像是通过充分利用高效、 成熟的 si ccd实现的；再次，由于探测器的探测波长可通过发射层的掺杂浓度及电 场来控制，相应地，远红外/thz成像的波段也较容易调节；最后，这种由单一 iii- v 族成熟材料体系组成的系统又很容易通过分子束外延生长，可避免混合焊接及任何 热失配。因此，这种半导体红外上转换成像方法具有简单、成本低、响应波长可调 等特点，在红外探测成像方面具有潜在的应用价值。 1.2 论文内容安排及主要工作 本文第二章首先从研究半导体的光致发光出发，先简要介绍了一下所用的实验 方法、导体光谱研究相关的理论基础，以及实验理论计算中的光学方法，得到 上海交通大学硕士学位论文 5 gan/algan 探测器结构中 algan 本征层的 al组分， 讨论了不同 al 组分 gan/algan 异质结的导带带阶界面功函数差。 第三章首先对实验研制成功的单周期 gan/algan 中红外/远红外双带异质结探 测器的响应率进行了模拟，理论得到的双带响应率与实验结果一致。 第四章介绍了光子频率上转换的概念、si ccd、利用光电二极管和发光二极管 的集成结构实现的近红外上转换成像、以及利用 qwip 和发光二极管集成实现的中 红外上转换成像。之后对 qwip- led中红外上转换成像的理论研究工作做了简单的 介绍。 第五章为了提高探测器性能，接着优化设计了多周期的 gan/algan 探测器，并 详细优化了相关结构参数。利用成熟 gan 材料制成的红外异质结探测器与紫光 gan/algan led的集成结构和高效的 si ccd，并且详细研究多周期 gan/algan 探 测器与 gan/algan 发光二极管集成结构的中红外和远红外光子频率上转换效率与 gan 发射层厚度、algan 本征层厚度、紫光光子出射效率、内量子效率、空间频率 和发射层掺杂浓度间的关系，优化了器件结构参数。计算表明，这种双带上转换成 像器件可以实现良好的成像效果，而且具有很高的上转换量子效率。 第一章 绪论 6 参考文献 1. m. h. white, i. a. mack, g. m. borsuk, d. r. lampe, and f. j. kub, “ charge- coupled device (ccd) adaptive discrete analog signal processing,” ieee j. solid- state circuits 14(1979): 132- 147. 2. b. f. levine, “ quantum- well infrared photodetectors,” j. appl. phys. 74(1993): r1- r81. 3. s. pasquier, g. sirmain, c. meny, a. murray, m. griffin, p. ade, l. essaleh, j. galibert, and j. l otin, “ low compensation impurity band photoconductors,” proc. spie 2211(1994): 634- 648. 4. b. ferguson and x. c. 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上海交通大学硕士学位论文 7 “ ge:ga far- infrared photoconductor 2d direct hybrid array,” proc. spie 3354(1998): 48- 56. 11. r. schnurr, c. l. thompson, j. t. davis, j. w. beeman, j. cadien, e. t. young, e. e. haller, and g. h. rieke, “ design of the stressed ge:ga far- infrared array for sirtf,” proc. spie 3354(1998): 322- 331. 12. b. b. hu and m. c. nuss, “ imaging with terahertz waves,” opt. lett. 20(1995): 1716- 1718. 13. d. m. mittleman, s. hunsche, l. boivin, and m. c. nuss, “ t- ray tomography,” opt. lett. 22(1997): 904- 906. 14. q. wu, f. g. sun, p. campbell, and x. c. zhang, “ dynamic range of an electro- optic field sensor and its imaging applications,” appl. phys. lett. 68(1996): 3224- 3226. 15. p. w. kruse, f. c. pribble, and r. g. schulze, “ solid- state infrared- wavelength converter employing high- quantum- efficiency ge- gaas heterojunction,” j. appl. phys. 38(1967): 1718- 1920. 16. l. b. allard, h. c. liu, m. buchanan, and z. r. wasilewski, “ pixelless infrared imaging utilizing a 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detectors” infrared physics horizontal scale: 2v/division. right side represent ge- biased positive. upper curve: response to 1.47 1016 photons/sec of 1.5- wavelength. lower curve: dark characteristic. 第三章 gan/algan 双带红外探测器研究 44 光子/秒，同时考虑到 ge 和 gaas 表面的反射损失，估算得到的内波长转换效率 仅为 2.810- 5 1。这么低的转换效率主要是由于 ge- gaas 异质结的内量子效率较 低，其量子效率大约为 0.62，且 gaas p- n 同质结在低的电流注入下场致发光量 子效率过低。虽然这是一个非常简单的结构，但光子频率上转换的实现为进行长 波长到短波长的频率上转换开辟了新的思路。 4.2 si ccd 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，多种类型和规格的线阵 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2,3。si ccd在摄像机、数码相机和扫描仪中应用 广泛，摄像机中使用的是点阵 ccd， 而扫描仪中使用的是线性 ccd。 si ccd 实际上是一种光电转换 器件，用集成电路工艺制成，它以电荷 包的形式储存和传送信息， 能够把光学 影像转化为数字信号, 主要由光敏单 元、输入结构和输出结构等部分组成。 ccd 的工作过程包括电荷的产生、存 储、转移和读出四个环节。它能把一幅 空间域分布的光学图像， 变换成一串按 时间域分布的离散电压信号，即具有 “自扫描”的特性。ccd 的输出信号 随时间轴按离散形式出现， 每个电荷包 对应一个像元。 si ccd一般包括许多个光敏像元，每个像元就是一个 mos 电容 图 4.4 四块具有 20482048 像元 si ccd 的集成器件。 fig. 4.4 mosaic of 4 si ccds containing 20482048 pixels. 上海交通大学硕士学位论文 45 器(或光敏二极管)。一块 ccd 上包含的像元数越多，其提供的画面分辨率也就 越高。图 4.4 所示为由四块具有 20482048 像元的 si ccd集成器件，因此总共 具有 1600 万像素。 在可见光到近红外波段(1.1 m)，si ccd 是性能良好的、低成本的成像器 件。在紫外及波长更短的波段，可以通过在 si ccd表面涂一层磷光物质来实现 探测成像。然而，对于波长超出 si ccd 响应范围的长波长的光，目前还没有一 种普遍采用的、低成本、有效的成像器件。 4.3 近红外上转换成像 工作在近 红外波段的成 像器件在许多 军事和商业领 域变的越来越 重要，例如在 夜视、测距、 半导体晶圆监 控等方面的应 用4,5，一般用 in0.53ga0.47as 近红外探测器 阵列和硅读出 电路来实现近 红外成像，但 成本较高。基 于光子频率上转换的概念并结合成熟的si ccd器件， liu 等人利用光电二极管和 发光二极管(led)的集成结构实现了1.5 m到1 m的上转换成像6。这个上转换 图4.5 in0.53ga0.47as光电二极管和inas0.1p0.9发光二极管集成的近红外上转换器件结 构和能带示意图。 fig. 4.5 schematic structure and band diagram of a nir upconverter integrated by an in0.53ga0.47as photodiode with an inas0.1p0.9 led. 第三章 gan/algan 双带红外探测器研究 46 器件主要是由在inp衬底上串联生长的in0.53ga0.47as光电二极管和inas0.1p0.9 led 构成，成像不需要任何读出电路，降低了近红外成像的成本。图4.5给出了这种 近红外上转换成像器件的结构和能带示意图。 在顶部接触层加一负偏压，光电二极管由此反向偏置，led 正向偏置。在 入射的 1.5 m光的照射下，光电二极管中产生光电流并引起其电阻的降低，导 致 led 上电压的增加从而发出 1 m的光。用 si ccd 直接来探测转换过来的 1 m的光，就实现了 1.5 m红外光的上转换成像。 考虑到上转换器件的应用， 光电二极管和led的效率要尽可能很高以实现有 效的上转换成像。单独的in0.53ga0.47as光电二极管具有很强的光吸收，其响应率 较高。但是对于led来讲，由于inas0.1p0.9和inp之间的带隙差太小，inp对载流子 的限制效应很弱，电子和空穴很容易逃离inas0.1p0.9激活层而不能进行有效的辐 射性复合，因此导致led的内量子效率很低。为了改进这一点，需要提高led激 活层和限制层之间的带隙差别，这样就要求inasp中as的含量增加， 然而当inasp 中as含量超过20%时，晶格之间的应变加剧，将严重恶化器件的性能。 图 4.6 led发射谱和激光器的激发谱， 插图是晶片键合生长的近红外上转换器件的示意图。 fig. 4.6 led emission spectrum and pumping laser spectrum. the inset is the schematic layer structure of a nir upconverter fabricated by wafer fusion technology. 上海交通大学硕士学位论文 47 晶片键合是一种先进的工艺技术， 可以用来制造集成的异质结半导体材料而 不必考虑它们的晶格常数，这就减弱了半导体器件设计中晶格匹配的要求，为制 造半导体器件提供了新的手段7- 9。基于此项技术实现的 in0.53ga0.47as 光电二极 管和 gaas led上转换器件可以更好地进行近红外光的上转换成像10。 用金属有 机物化学气相沉积法生长的光电二极管是在 n型 inp 衬底上的一个三层结构，中 间层为本征的 in0.53ga0.47as, 上下分别为 n 型和 p 型的 inp 层。用分子束外延法 在 n型 gaas 衬底上生长的 gaas/algaas led结构包括一层 gaas激活层， 以及 上下的 p 型和 n 型 algaas 限制层。这样生长出来的两个独立的光电二极管和 led， 用晶片键合方法将两个外延面结合起来， 然后用化学方法除去 gaas 衬底， 最后加上电极即可得到上转换器件，如下图 4.6 中的插图所示10。n型 inp 衬底 上加正偏压，顶部 n型 algaas 层接地，用发射峰值波长为 1.47 m的激光器进 行激发，产生的光电流可以驱动 gaas/algaas led发光。led的发射谱和激光 器的激发谱如图4.6所示， led发射的0.87 m的光对应于gaas 1.42 ev的带隙。 为了考察利用这种晶片键合技术制作成的近红外上转换成像器件的性能， 在 不同偏压下通过改变入射光的输入功率，可以得到对应的转换过来的 0.87 m光 的输出功率，如图 4.7 所示。可以看到，当偏压为零时，没有上转换发生，这是 图 4.7 不同的偏压下， 1.47 m 入射光的输入功率对应的 0.87 m 出射光的输出功率。 fig. 4.7 output optical power at 0.87 m against input optical power at 1.47 m under different device bias voltages. 第三章 gan/algan 双带红外探测器研究 48 由于零偏压下光电二极管没有工作，不产生驱动 led 发光的光电流。当偏压超 过 1v 时，输出功率随着输入功率线性增加。偏压越高，曲线的斜率越大，当偏 压超过 4v 时，斜率趋于饱和。这主要是由于光电二极管的响应在偏压超过 0.5v 时基本不随偏压改变，而 led 的量子效率在偏压不大时，效率随偏压增加，当 偏压超过 4v 时，效率开始趋于饱和。 用常规的 si ccd 器件对转换过来 的 0.87 m的光直接进 行探测，即可实现近红