[发明专利]一种光子频率上转换器件及其生长方法

说明书

本发明提供了一种新型光子频率上转换器件与方法，所述器件包括近红外光电探测器(1)、发光二极管(2)和渐变层(3)，所述渐变层(3)位于近红外光电探测器(1)和发光二极管(2)之间；所述渐变层(3)用于克服所述近红外光电探测器(1)和所述发光二极管(2)之间晶格失配的影响；所述方法可以一次性直接外业生长得到整个光子频率双转换器件，无需晶片键合步骤，使所述光子上转换器件结构紧凑，大大简化了制备工艺，降低了成本，提高了上转换效率。

技术领域

本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种直接外延生长的光子频率上转换器件及其生长方法。

背景技术

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、单光子探测等领域有着广泛的应用。过去的几十年中，人们发明了各种上转换技术，包括热激发红外上转换、稀土离子红外上转换、光参量红外上转换、俄歇红外上转换、两步-双光子吸收红外上转换、红外探测器-发光二极管(PD-LED)红外上转换等。其中光参量上转换技术为目前主要的上转换技术，该技术通过非线性光学晶体里的和频技术，通过泵浦光和入射光子的非线性和频将入射光子上转换为可见光子。经过多年的发展，该技术已经可以获得很高的上转换效率，但是该上转换技术中的噪声较大，这一点在诸如单光子探测等应用中严重制约了探测效率。此外，光参量上转换需要额外的激光源及及其复杂的光路设计，这一点也严重制约了其大规模应用。

PD-LED上转换通过探测器和发光二极管的串联可以实现很高的上转换效率，由于GaAs发光二极管和GaAs基的THz量子阱探测器不存在晶格失配的问题，所以基于GaAs的远红外/太赫兹上转换器件已经实现直接外延生长制备(Fu(Sci Rep,2016,6:25383))。但是，近红外波段的InGaAs探测器却和GaAs基二极管存在严重的晶格失配问题，不能通过直接生长得到。近年来，Luo(J Vac Sci Technol A,2004,22(3):788-791)和Yang(Prog QuantElectron,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思路清晰，物理原理简单，同时结合了成熟的近红外InGaAs探测器和GaAs基发光二极管的优势，可以实现无像元成像的同时规避了读出电路的高额成本等，经过多年的发展，该技术已经已经取得了很大的成就。但是，该技术需要两次分别外延生长发光二极管和红外探测器，然后再通过晶片键合的方式集成在一起。两次外延生长和晶片键合的高昂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、结构紧凑的近红上转换器件有着重要的意义和深远的影响。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供了一种新型光子频率上转换器件，包括近红外光电探测器、发光二极管和渐变层，所述渐变层位于近红外光电探测器和发光二极管之间。

所述近红外光电探测器将入射的红外光信号转换为光生载流子。

所述发光二极管将所述近红外光电探测器产生的光生载流子转换为近红外或者可见光子，进而实现上转换。

所述渐变层用于克服所述近红外光电探测器和所述发光二极管之间晶格失配的影响，一次性直接外延生长得到整个光子频率上转换器件。

所述光子频率上转换器件由外延生长技术直接生长获得。

所述近红外光电探测器为Ⅲ-Ⅴ族半导体探测器。

所述近红外光电探测器的衬底为InP。

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。

所述近红外光电探测器还可以包括p型帽层。

所述n型帽层厚度为300～800nm，优选地为400～600nm，更优选地为500nm。