太赫茲頻率上轉(zhuǎn)換成像器件研究

符張龍，邵棣祥，張真真，李銳志，3，曹俊誠

1)中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所太赫茲固態(tài)技術重點實驗室，上海 200050；2)上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海 200093； 3)中國科學院大學, 北京 100049

太赫茲(terahertz, THz)成像在人體安檢、生物醫(yī)學成像及天文觀測等方面有重要應用價值[1-9]．然而，由于THz成像核心芯片的限制，尤其是THz焦平面陣列(focal plane arrays，F(xiàn)PAs)的限制，使得上述應用發(fā)展嚴重受限[10]．近年來，雖然基于氧化釩相變特性、互補金屬氧化物半導體晶體管(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)技術及鉭酸鋰晶體熱電效應等技術已發(fā)展起來幾種THz FPAs[5]，但其性能仍不能滿足目前應用需求，因此，迫切需要研制一種探測靈敏度高、響應速度快，且線性響應范圍寬的FPA[10]．

太赫茲量子阱探測器(THz quantum-well photodetector, THz QWP)具有探測靈敏度高、響應時間短及線性響應范圍寬等優(yōu)點，以其作為基本單元的FPA符合發(fā)展的迫切需求．然而，F(xiàn)PA需要通過倒裝鍵合THz QWP陣列到商用硅讀出集成電路(Si readout integrated circuits, ROICs)來實現(xiàn)[5]．該技術存在著兩個難點：① 為抑制暗電流，提高探測靈敏度，THz QWP的工作溫度必須低于30 K，然而商用Si ROICs工作溫度均高于40 K[10]；② 隨著溫度降低，連接FPA和Si ROICs的銦柱的損壞數(shù)量激增，最終致使器件出現(xiàn)大量盲像素．

本研究基于分子束外延技術，在GaAs襯底上堆疊生長THz QWP和近紅外發(fā)光二極管(light-emitting diode, LED)結構，從而研制出THz QWP-LED．該器件利用無像素成像技術，無需低溫ROICs，也無需使用銦柱對單元像素挨個連接，解決了THz QWP FPA技術路線的兩大難題，為THz成像技術提供一種高性能器件．

1 器件工作原理

THz QWP-LED能帶圖如圖1[1]，器件工作原理為：當THz光子照射到器件上時，器件THz QWP部分吸收THz光子并轉(zhuǎn)換為電子，電子沿電場方向運動進入器件LED部分，其中一部分電子轉(zhuǎn)化為近紅外光子出射，另一部分最終到達接觸層．因此，當THz圖像照射到THz QWP-LED，該圖像將在THz QWP部分變?yōu)殡娮硬⒀刂_面器件的縱向方向移動，而后在LED部分轉(zhuǎn)化為近紅外光子并繼續(xù)沿器件臺面縱向方向移動，使出射近紅外光圖像與入射THz光圖像基本一致，實現(xiàn)在單一THz QWP-LED單元的無像素成像．最后，使用商用Si CCD進行觀察和記錄紅外光圖像，實現(xiàn)對THz光圖像的觀察和記錄．

圖1 THz QWP-LED器件能帶圖與工作原理Fig.1 Band-edge profiles and operation principle of THz QWP-LED

2 器件制備

THz QWP-LED器件基于GaAs/(Al, Ga)As和GaAs/(In, Ga)As材料體系．通過求解薛定諤方程和泊松方程得到多量子阱結構參數(shù)，同時考慮交聯(lián)互換勢和去極化多體效應優(yōu)化參數(shù)[11]．使用600 μm厚度半絕緣GaAs襯底，器件包含GaAs/(Al, Ga)As QWP與(In, Ga)As/GaAs LED兩部分．THz QWP 結構由下到上生長包括：800 nm厚下接觸層(接觸層摻雜Si，摻雜體積濃度1.0×1017cm-3)；80 nm厚度的Al0.024Ga0.976As 發(fā)射勢壘；30個重復周期的GaAs/Al0.024Ga0.976As多量子層，量子阱勢壘厚度80 nm，勢阱寬度16 nm，勢阱中心10 nm區(qū)域摻雜體積濃度Si 1.0×1017cm-3．LED結構包括40 nm GaAs層、9 nm In0.1Ga0.9As層、40 nm GaAs層、140 nm 厚度 Al0.024Ga0.976As層(Be摻雜體積濃度5.0×1018cm-3)及50 nm GaAs 上接觸層(Be摻雜體積濃度8.0×1018cm-3)．方形臺面器件邊長1 mm，上電極為環(huán)形電極Ti/Pt/Au，下電極為Pb/Ge/Ti/Pt/Au．

器件QWP部分由于子帶躍遷選擇定則，即量子阱結構僅對平行于量子阱生長方向的偏振分量有響應．因此，為提高量子效率，需要選擇合適的耦合方式，將盡量多的偏振分量作用到量子阱生長方向上．因此，THz QWP-LED需要采用45°入射耦合結構，如圖2(a)，或者金屬光柵入射耦合，如圖2(b)，來提高器件響應率．

圖2 THz QWP-LED器件結構圖Fig.2 The structure of the THz QWP-LEDs

3 器件性能表征

3.1 器件I-V與V-I特性

I-V曲線和V-I曲線是器件的關鍵性能指標之一．THz QWP-LED的I-V曲線和V-I曲線(圖3)均與THz QWP相應曲線加上1.29 V電壓完全類似．可見，在THz QWP-LED器件中THz QWP部分保持了原有電學特性．對于兩個或多個器件組合而成的集成器件，這點尤為重要，代表著集成器件可以同時擁有兩個或多個分立器件的性能．

圖3 45°入射耦合THz QWP-LED和相同量子阱 結構的THz QWP，兩種器件均在4.2 K工作 溫度時的V-I曲線及I-V曲線Fig.3 V-I curves and I-V curves of the 45° facet coupled THz QWP-LED. And a comparison THz QWP having the same multi-quantum well (MQW)parameters with the QWP part of the QWP-LED

3.2 器件光譜與響應率

實驗使用傅里葉變換紅外光譜儀(Bruker VERTEX 80v)測試器件光譜，同時結合使用標準腔式黑體(Infrared Systems Development Corporation IR-564/301)標定器件響應率，結果如圖4．為提高金屬光柵耦合型THz QWP-LED對4.3 THz頻率光子的耦合效率，參考文獻[12]的設計方法，制備器件光柵周期為20 μm，占空比為50%．測得45°入射耦合型THz QWP-LED和金屬光柵耦合型THz QWP-LED在5 K溫度下的光電流譜，兩種器件峰值響應頻率均約為5.2 THz；45°入射耦合型器件峰值響應率約為0.22 A/W，金屬光柵耦合型器件峰值響應率約為0.1 A/W；45°入射耦合型器件等效噪聲功率為5.2×10-12W/Hz0.5．如圖4(b)所示，隨著偏壓增加，器件峰值響應頻率向低頻移動，而峰值響應幅值呈指數(shù)增長，是典型的束縛態(tài)到束縛態(tài)子帶躍遷．

圖4 THz QWP-LED偏置電壓1.7 V，工作溫度5 K時 的光譜與THz QCL工作溫度10 K時的光譜Fig.4 Spectra of the THz QWP-LEDs biased at 1.7 V and 5 K and spectrum of THz QCL at 10 K in the imaging test

3.3 器件成像質(zhì)量因子

圖5 45°入射耦合型THz QWP-LED峰值響應率及 成像質(zhì)量因子與器件工作電壓的關系Fig.5 The peak response vs bias voltage and imaging quality factor vs bias voltage of the 45°facet coupled THz QWP-LED

為表征THz QWP-LED的成像信噪比，定義成像質(zhì)量因子R/JBG描述THz QWP-LED的成像性能，其中，R為響應率；JBG為背景電流密度．圖5為45°入射耦合型THz QWP-LED峰值響應率及成像質(zhì)量因子與器件工作電壓的關系．可見，最大R/JBG約為1.3×104cm2/W．在1.40～1.80 V內(nèi)，隨著偏壓增強，器件峰值響應率先快速增加，后緩慢增加；成像質(zhì)量因子先緩慢變大，到1.65 V之后突然急劇減小，這主要是THz QWP-LED部分在偏壓達到一定強度時進入負微分效應工作區(qū)，I-V存在跳變，跳變后器件暗電流急劇增加，而器件響應率卻緩慢增加．因而表現(xiàn)出成像質(zhì)量因子的急劇下降．

4 器件成像性能

圖6 45°耦合型THz QWP-LED成像演示實驗Fig.6 The imaging demonstration of 45° facet coupled THz QWP-LED

圖7 金屬光柵耦合型THz QWP-LED成像演示實驗Fig.7 The imaging demonstration of metal grating coupled THz QWP-LED

結 語

本研究介紹THz QWP-LED的工作原理、制備方法、基本性能以及成像性能．基本性能測試結果表明：器件峰值探測頻率約為5.2 THz，最大峰值響應率為0.22 A/W，噪聲等效功率為5.2×1012W/Hz0.5．成像性能測試結果顯示：45°入射器件可實現(xiàn)對THz QCL光斑的清晰成像；同時，經(jīng)過改進制成的金屬光柵耦合器件可實現(xiàn)正入射成像，有效減小成像畸變，利于制備大面積器件．隨著THz QWP-LED的發(fā)展，該器件可望在THz成像技術領域發(fā)揮重要作用．