【摘 要】
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量子阱-发光二极管（QWIP-LED）上转换红外探测器将中波红外信号转换为近红外光,并由大面阵硅基CCD直接读出,因此具有制备成为大规模、高质量、低功耗红外探测器的潜力,成为红外探测的一种新途径。目前基于QWIP-LED的量子效率的研究主要集中在提高QWIP的光响应上。但由于近红外LED的光读出效率受全内反射效应影响,有效出光效率仅为1%至2%左右,因此QWIP-LED的探测效率和成像质量受限于L
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
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量子阱-发光二极管（QWIP-LED）上转换红外探测器将中波红外信号转换为近红外光,并由大面阵硅基CCD直接读出,因此具有制备成为大规模、高质量、低功耗红外探测器的潜力,成为红外探测的一种新途径。目前基于QWIP-LED的量子效率的研究主要集中在提高QWIP的光响应上。但由于近红外LED的光读出效率受全内反射效应影响,有效出光效率仅为1%至2%左右,因此QWIP-LED的探测效率和成像质量受限于LED的光读出效率。本论文围绕近红外光读出效率的增强,通过可适应于QWIP-LED器件的表面修饰模型和光子回收模型,对近红外LED的光读出效率进行研究,主要内容有:1.研究微透镜阵列对近红外光提取效率的影响。使用微透镜阵列对LED器件表面进行修饰,利用聚苯乙烯胶体微球自组装,形成不同直径的微透镜阵列近红外LED器件,通过微透镜阵列形成的等效折射率薄膜对菲涅尔损耗的降低,以及微透镜阵列周期性结构对近红外光的耦合作用,使近红外LED在波长为860nm时光读出效率相对于无结构LED的峰值增强至2.5倍。2.研究金颗粒阵列LED通过颗粒耦合和颗粒散射对近红外LED光读出效率的提高。在颗粒尺寸为200nm,周期为880nm时,通过金颗粒三棱柱的散射作用,在垂直探测下,金颗粒阵列LED的峰值相对于无结构LED增强至1.37至3.3倍。变角度探测下,光读出效率的增强主要来自于金颗粒阵列的大角度散射作用,金颗粒阵列LED的峰值强度相对于无结构LED增强至3.97至6.97倍。3.研究一维减反膜光栅对近红外LED光读出效率的影响。通过可集成在GaAs LED上的减反膜层的研究,使用ITO作为减反膜,在常温下提高810nm发光强度33%。设计折射率周期性变化的单层一维减反膜光栅LED,在周期为0.9μm,占空比为0.45的参数下,得到一维光栅LED总透过率增强51%。增加空气-减反膜波导模式,设计减反膜-介质双层光栅,在减反膜厚度为100nm,光栅周期为900nm,宽度为600nm时,增强LED光读出效率55%。4.设计了集成表面等离激元共振模式的光子回收器件模型。利用表面等离激元共振的近场增强作用,通过提高量子阱层的光子态密度增强LED内量子效率。通过一维金属光栅和介质光栅的复合结构,分别增强LED内量子效率和外量子效率3.5倍和5倍左右。由于表面等离激元共振对光子态密度的修饰,可将结构集成于QWIP-LED器件中,增强器件的光子回收效率。
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