太赫兹频率上转换成像器件研究

符张龙，邵棣祥，张真真，李锐志，3，曹俊诚

1)中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术重点实验室，上海 200050；2)上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093； 3)中国科学院大学, 北京 100049

太赫兹(terahertz, THz)成像在人体安检、生物医学成像及天文观测等方面有重要应用价值[1-9]．然而，由于THz成像核心芯片的限制，尤其是THz焦平面阵列(focal plane arrays，FPAs)的限制，使得上述应用发展严重受限[10]．近年来，虽然基于氧化钒相变特性、互补金属氧化物半导体晶体管(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)技术及钽酸锂晶体热电效应等技术已发展起来几种THz FPAs[5]，但其性能仍不能满足目前应用需求，因此，迫切需要研制一种探测灵敏度高、响应速度快，且线性响应范围宽的FPA[10]．

太赫兹量子阱探测器(THz quantum-well photodetector, THz QWP)具有探测灵敏度高、响应时间短及线性响应范围宽等优点，以其作为基本单元的FPA符合发展的迫切需求．然而，FPA需要通过倒装键合THz QWP阵列到商用硅读出集成电路(Si readout integrated circuits, ROICs)来实现[5]．该技术存在着两个难点：① 为抑制暗电流，提高探测灵敏度，THz QWP的工作温度必须低于30 K，然而商用Si ROICs工作温度均高于40 K[10]；② 随着温度降低，连接FPA和Si ROICs的铟柱的损坏数量激增，最终致使器件出现大量盲像素．

本研究基于分子束外延技术，在GaAs衬底上堆叠生长THz QWP和近红外发光二极管(light-emitting diode, LED)结构，从而研制出THz QWP-LED．该器件利用无像素成像技术，无需低温ROICs，也无需使用铟柱对单元像素挨个连接，解决了THz QWP FPA技术路线的两大难题，为THz成像技术提供一种高性能器件．

1 器件工作原理

THz QWP-LED能带图如图1[1]，器件工作原理为：当THz光子照射到器件上时，器件THz QWP部分吸收THz光子并转换为电子，电子沿电场方向运动进入器件LED部分，其中一部分电子转化为近红外光子出射，另一部分最终到达接触层．因此，当THz图像照射到THz QWP-LED，该图像将在THz QWP部分变为电子并沿着台面器件的纵向方向移动，而后在LED部分转化为近红外光子并继续沿器件台面纵向方向移动，使出射近红外光图像与入射THz光图像基本一致，实现在单一THz QWP-LED单元的无像素成像．最后，使用商用Si CCD进行观察和记录红外光图像，实现对THz光图像的观察和记录．

图1 THz QWP-LED器件能带图与工作原理Fig.1 Band-edge profiles and operation principle of THz QWP-LED

2 器件制备

THz QWP-LED器件基于GaAs/(Al, Ga)As和GaAs/(In, Ga)As材料体系．通过求解薛定谔方程和泊松方程得到多量子阱结构参数，同时考虑交联互换势和去极化多体效应优化参数[11]．使用600 μm厚度半绝缘GaAs衬底，器件包含GaAs/(Al, Ga)As QWP与(In, Ga)As/GaAs LED两部分．THz QWP 结构由下到上生长包括：800 nm厚下接触层(接触层掺杂Si，掺杂体积浓度1.0×1017cm-3)；80 nm厚度的Al0.024Ga0.976As 发射势垒；30个重复周期的GaAs/Al0.024Ga0.976As多量子层，量子阱势垒厚度80 nm，势阱宽度16 nm，势阱中心10 nm区域掺杂体积浓度Si 1.0×1017cm-3．LED结构包括40 nm GaAs层、9 nm In0.1Ga0.9As层、40 nm GaAs层、140 nm 厚度 Al0.024Ga0.976As层(Be掺杂体积浓度5.0×1018cm-3)及50 nm GaAs 上接触层(Be掺杂体积浓度8.0×1018cm-3)．方形台面器件边长1 mm，上电极为环形电极Ti/Pt/Au，下电极为Pb/Ge/Ti/Pt/Au．

器件QWP部分由于子带跃迁选择定则，即量子阱结构仅对平行于量子阱生长方向的偏振分量有响应．因此，为提高量子效率，需要选择合适的耦合方式，将尽量多的偏振分量作用到量子阱生长方向上．因此，THz QWP-LED需要采用45°入射耦合结构，如图2(a)，或者金属光栅入射耦合，如图2(b)，来提高器件响应率．

图2 THz QWP-LED器件结构图Fig.2 The structure of the THz QWP-LEDs

3 器件性能表征

3.1 器件I-V与V-I特性

I-V曲线和V-I曲线是器件的关键性能指标之一．THz QWP-LED的I-V曲线和V-I曲线(图3)均与THz QWP相应曲线加上1.29 V电压完全类似．可见，在THz QWP-LED器件中THz QWP部分保持了原有电学特性．对于两个或多个器件组合而成的集成器件，这点尤为重要，代表着集成器件可以同时拥有两个或多个分立器件的性能．

图3 45°入射耦合THz QWP-LED和相同量子阱 结构的THz QWP，两种器件均在4.2 K工作 温度时的V-I曲线及I-V曲线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 器件光谱与响应率

实验使用傅里叶变换红外光谱仪(Bruker VERTEX 80v)测试器件光谱，同时结合使用标准腔式黑体(Infrared Systems Development Corporation IR-564/301)标定器件响应率，结果如图4．为提高金属光栅耦合型THz QWP-LED对4.3 THz频率光子的耦合效率，参考文献[12]的设计方法，制备器件光栅周期为20 μm，占空比为50%．测得45°入射耦合型THz QWP-LED和金属光栅耦合型THz QWP-LED在5 K温度下的光电流谱，两种器件峰值响应频率均约为5.2 THz；45°入射耦合型器件峰值响应率约为0.22 A/W，金属光栅耦合型器件峰值响应率约为0.1 A/W；45°入射耦合型器件等效噪声功率为5.2×10-12W/Hz0.5．如图4(b)所示，随着偏压增加，器件峰值响应频率向低频移动，而峰值响应幅值呈指数增长，是典型的束缚态到束缚态子带跃迁．

图4 THz QWP-LED偏置电压1.7 V，工作温度5 K时 的光谱与THz QCL工作温度10 K时的光谱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 器件成像质量因子

图5 45°入射耦合型THz QWP-LED峰值响应率及 成像质量因子与器件工作电压的关系Fig.5 The peak response vs bias voltage and imaging quality factor vs bias voltage of the 45°facet coupled THz QWP-LED

为表征THz QWP-LED的成像信噪比，定义成像质量因子R/JBG描述THz QWP-LED的成像性能，其中，R为响应率；JBG为背景电流密度．图5为45°入射耦合型THz QWP-LED峰值响应率及成像质量因子与器件工作电压的关系．可见，最大R/JBG约为1.3×104cm2/W．在1.40～1.80 V内，随着偏压增强，器件峰值响应率先快速增加，后缓慢增加；成像质量因子先缓慢变大，到1.65 V之后突然急剧减小，这主要是THz QWP-LED部分在偏压达到一定强度时进入负微分效应工作区，I-V存在跳变，跳变后器件暗电流急剧增加，而器件响应率却缓慢增加．因而表现出成像质量因子的急剧下降．

4 器件成像性能

图6 45°耦合型THz QWP-LED成像演示实验Fig.6 The imaging demonstration of 45° facet coupled THz QWP-LED

图7 金属光栅耦合型THz QWP-LED成像演示实验Fig.7 The imaging demonstration of metal grating coupled THz QWP-LED

结 语

本研究介绍THz QWP-LED的工作原理、制备方法、基本性能以及成像性能．基本性能测试结果表明：器件峰值探测频率约为5.2 THz，最大峰值响应率为0.22 A/W，噪声等效功率为5.2×1012W/Hz0.5．成像性能测试结果显示：45°入射器件可实现对THz QCL光斑的清晰成像；同时，经过改进制成的金属光栅耦合器件可实现正入射成像，有效减小成像畸变，利于制备大面积器件．随着THz QWP-LED的发展，该器件可望在THz成像技术领域发挥重要作用．