一种无像元成像器件及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种无像元成像器件及其制备方法，其中无像元成像器件包括光子频率上转换器件和硅基成像器件；所述光子频率上转换器件包括近红外探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外探测器和发光二极管之间；所述发光二极管的发光侧与所述硅基成像器件的受光面相耦接。本发明专利技术的无像元成像器件的整个器件相对紧凑、结构简单，也无需额外的读出电路设计，这不仅大大简化了器件制备工艺，也大大节约了成像成本。

A pixel-free imaging device and its preparation method

The invention provides a pixel-free imaging device and a preparation method thereof, in which the pixel-free imaging device includes a photon frequency up-conversion device and a silicon-based imaging device; the photon frequency up-conversion device includes a near infrared detector, a light emitting diode and a gradient layer, the gradient layer between the near infrared detector and the light emitting diode; the light emitting side of the light emitting diode and the silicon. The light receiving surface of the base imaging device is coupled. The whole device of the pixel-free imaging device of the present invention is relatively compact, simple in structure and does not need additional readout circuit design, which not only greatly simplifies the device preparation process, but also greatly saves the imaging cost.

【技术实现步骤摘要】
一种无像元成像器件及其制备方法
本专利技术涉及半导体器件领域，尤其涉及无像元成像器件及其制备方法。
技术介绍
红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异，所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的，其探测系统中最关键的为红外探测器部分。自二战以来，红外探测技术和红外成像技术经过多年的发展，已经相对比较完备成熟。迄今为止，人们已经可以制备从近红外到中红外包括部分远红外波段的红外探测器件和成像器件。其中，传统的成像器件主要由探测器阵列和硅基读出电路两部分组成。其中探测器阵列用来对红外光信号进行探测，将红外光子转换为电流；硅基读出电路则负责将阵列中每个像素产生的电流转换为电压并且输出；二者通过铟柱实现电连接。其中读出电路的设计和制备、铟柱的集成和连接导致了传统红外成像器件价格及其昂贵，并且制作工艺复杂。红外上转换技术指的是将红外光信号转换为短波红外或者可见光信号再进行探测的一种技术手段，在激光冷却、材料质量检测、无像元成像、无像元成像等领域有着广泛的应用。其中，Luo(J.Vac.Sci.Technol.A2004,22(3):788-791.)和Yang(Prog.Quant.Electron.2011,35(4):77-108.)等人提出的将红外探测器与发光二极管通过分别生长再进行晶片键合集成上转换器件，该技术最大的优势在于可以实现无像元成像，不需要额外的无读出电路，经过多年的发展已经取得了很大的成就。但是该技术两次的外延生长和晶片键合的高成本以及繁琐的制备工艺大大限制了这一上转换器件的应用。基于以上前提，寻求一种成本低廉、制备方便、性能优良、结构紧凑的无像元成像器件对无像元成像有着重要意义和深远影响。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于直接外延生长上转换器件的无像元成像器件。该无像元成像器件包括光子频率上转换器件和硅基成像器件，其中，光子频率上转换器件包括近红外探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外探测器和发光二极管之间；所述发光二极管的发光侧与所述硅基成像器件的受光面相耦接。其中，所述渐变层的作用为物理连接近红外探测器和发光二极管，并且实现良好的电学连接。进一步地，所述渐变层至少有一种元素组分逐渐变化。进一步地，所述渐变层的组分渐变元素的原子百分比随厚度变化而改变。进一步地，所述渐变层为InyGa1-yAs；所述)InyGa1-yAs中In组分(即y取值)由0.53渐变到0，渐变方向由近红外光电探测器向发光二极管逐渐变小。进一步地，所述渐变层厚度为300nm～1000nm，优选地为400-600nm，更优选地为500nm。其中，在所述光子频率上转换器件，所述近红外探测器用于实现对近红外光信号的接收和探测，将近红外通讯光信号转化为光生载流子，产生的光生载流子迁移到所述发光二极管的激活区并且发生复合，产生波长为短波近红外光子或者可见光光子，从而实现上转换。进一步地，所述近红外光电探测器为InP基的Ⅲ-Ⅴ族半导体探测器。进一步地，所述近红外光电探测器为InP/InGaAsp-i-n探测器或InP/InGaAsn-i探测器。进一步地，所述近红外光电探测器从下往上包括n型帽层、本征吸收层。进一步地，所述n型帽层厚度为300-800nm，优选地为400-600nm，更优选地为500nm。进一步地，所述本征吸收层厚度为1-3μm，优选地为1.5-2.5μm，更优选地为2μm。进一步地，所述InP/InGaAsn-i探测器中n型帽层为InP，本征吸收层为InGaAs。可选地，所述近红外光电探测器从下往上包括n型帽层、本征吸收层和p型帽层。进一步地，所述p型帽层厚度为300-800nm，优选地为400-600nm，更优选地为500nm。进一步地，所述InP/InGaAsp-i-n探测器中n型帽层为InP，本征吸收层为InGaAs，p型帽层为InP。进一步地，所述近红外光电探测器的工作波长范围为800nm～1700nm。进一步地，所述红外光电探测器的厚度为2-5μm，优选地为3-3.5μm，更优选地为3μm。进一步地，所述发光二极管从下往上包括第一势垒层、激活层、第二势垒层。其中，所述激活层中载流子发生辐射复合；所述第一势垒层、第二势垒层主要作用为调控激活层中载流子浓度。进一步地，所述第一势垒层厚度为100-600nm，优选地为200-400nm，更优选地为300nm。进一步地，所述第二势垒层厚度为100-600nm，优选地为200-400nm，更优选地为300nm。进一步地，所述激活层厚度为100-800nm，优选地为200-600nm，更优选地为400nm。进一步地，所述发光二极管厚度为800-2000nm，优选地为900-1200nm，更优选地为1050nm。进一步地，所述发光二极管为GaAs/AlxGa1-xAs双异质结发光二极管。进一步地，所述GaAs/AlxGa1-xAs双异质结发光二极管的第一势垒层为AlxGa1-xAs，激活层为GaAs，第二势垒层为AlxGa1-xAs，所述第一势垒层与第二势垒层关于激活层中心轴对称。进一步地，所述发光二极管的两个AlxGa1-xAs势垒层既可以是Al组分确定的势垒层(即x取一确定值，取值范围为0.1～0.3)，也可以是Al组分随厚度渐变的AlxGa1-xAs势垒层(即x取值随着厚度的变化从0.1渐变到0.3)，优选地为Al组分随厚度渐变的AlxGa1-xAs势垒层。进一步地，所述第一势垒层由下到上Al组分(即x值)随着厚度的增加从0.3线性渐变到0.1。进一步地，所述第二势垒层由下到上Al组分(即x值)随着厚度的增加从0.1线性渐变到0.3。进一步地，所述发光二极管室温下(300K)发光波长为870nm。进一步地，所述发光二极管在极低温下(4K)发光波长为820nm。进一步地，所述发光二极管在低温下(<300K)发光波长随温度的降低而减小。进一步地，所述硅基成像器件为商用成熟的硅基成像器件(CCD或者CMOS)，用来接受探测近红外上转换器件所发出的短波近红外或者可见光子，进而实现上转换无像元成像。本专利技术还提供了制备上述任意无像元成像器件的方法，包括以下步骤：a)在衬底上外延生长近红外光电探测器；b)在所述近红外光电探测器上外延生长渐变层；c)在所述渐变层上外延生长发光二极管；d)将所述发光二极管的出光端和硅基成像器件的受光面相耦接。其中，所述外延生长的方法为分子束外延法(MBE)、离子束外延法、液相外延法(LPE)、化学气相沉积法(CVD)、金属有机化合物化学气相沉积法(MOCVD)或气相外延法(VPE)。进一步地，在步骤d)中，所述光子频率上转换器件的发光二极管的出光端与硅基成像器件的受光面进行打磨抛光，再通过晶片键合技术或者光胶耦合技术将二者紧压在一起。结合后的整体作为一个近红外无像元成像器件。具体的集成方法包括：晶片键合：光子频率上转换器件的发光二极管的发光端与硅基成像器件的感光面进行抛光处理，经等离子激活，然后再通过晶片键合技术将这两个平面结合在一起。较佳地，上述键合工艺在高真空环境下进行效果会更好；光胶耦合：光子频率上转换器件的发光二极管的发光端与硅基成像器件的感光面抛光处理，深度清洁后，将二者紧压在一起，中间只留本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无像元成像器件，其特征在于，包括光子频率上转换器件和硅基成像器件；所述光子频率上转换器件包括近红外探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外探测器和发光二极管之间；所述发光二极管的发光侧与所述硅基成像器件的受光面相耦接。

【技术特征摘要】
1.一种无像元成像器件，其特征在于，包括光子频率上转换器件和硅基成像器件；所述光子频率上转换器件包括近红外探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外探测器和发光二极管之间；所述发光二极管的发光侧与所述硅基成像器件的受光面相耦接。2.一种如权利要求1所述的无像元成像器件，其特征在于，所述渐变层至少有一种元素组分逐渐变化。3.一种如权利要求2所述的无像元成像器件，其特征在于，所述渐变层的组分渐变元素的原子百分比随厚度变化而改变。4.一种如权利要求3所述的无像元成像器件，其特征在于，所述渐变层为InyGa1-yAs；所述InyGa1-yAs中In组分由0.53渐变到0，渐变方向由近红外光电探测器向发光二极管逐渐变小。5.一种如权利要求1所述的无像元成像器件，其特征在于，所述近红外光电探测器为InP基的Ⅲ-Ⅴ族半导体探测器。6.一种如权利要求5所述的无像元成像器件，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张月蘅，沈文忠，白鹏，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31