砷化铟镓 (InGaAs) 如何改善 SWIR 感测

通过开发砷化铟镓 (InGaAs) 传感器，短波红外范围（波长从 0.9 到 1.7 微米）的传感已经变得实用。 Sensors Unlimited, Inc. 隶属于 Collins Aerospace，专门制造 InGaAs 一维线性阵列、二维焦平面阵列相机和 SWIR 系统。但为什么还要使用 SWIR？

首先，一个基本事实：人眼看不到短波红外波段的光。可见光谱从 0.4 微米（蓝色，对眼睛接近紫外线）到 0.7 微米（深红色）的波长。只有 InGaAs 等专用传感器才能看到更长的波长。尽管肉眼看不到短波红外区域的光，但这种光与物体的相互作用方式与可见光波长相似。即SWIR光是反射光；它会像可见光一样反射物体。

由于其反射特性，SWIR 光在其图像中具有阴影和对比度。来自 InGaAs 相机的图像在分辨率和细节上与黑白可见图像相当。这使得物体易于识别，并产生了 SWIR 的战术优势之一，即物体或个体识别。这让 InGaAs 很有趣，但它有什么用呢？

什么使 InGaAs 有用？

InGaAs 传感器可以做得非常灵敏，从字面上计算单个光子。当构建为焦平面阵列时——具有数千或数百万个微小的点传感器或传感器像素——SWIR 相机将在非常黑暗的条件下工作。夜视镜已经存在了几十年，它通过在所谓的图像增强 (I-Squared) 管中感应和放大反射的可见星光或其他环境光来工作。这项技术在直视夜视镜上效果很好。但是当需要将图像发送到远程位置（例如情报中心）时，没有不引入可靠性和灵敏度限制的实用方法（例如 I2CCD）。由于 SUI 的所有 SWIR 传感器都将光转换为电信号，因此它们天生适合存储或传输。

夜间使用短波红外还有另一个主要优势。一种称为夜空辐射的大气现象发出的光照是星光的五到七倍，几乎所有的光照都在短波红外波段。借助 SWIR 相机和这种夜光（通常称为夜光），我们可以在没有月亮的夜晚非常清晰地“看到”物体，并通过网络共享这些图像，这是其他成像技术无法做到的。

但是没有其他在短波红外范围内工作的相机吗？是的。由碲化镉汞 (Hg-CdTe) 或锑化铟 (InSb) 等材料制成的传感器在 SWIR 波段可能非常敏感。然而，为了将它们的信噪比提高到可用水平，这些相机必须进行低温冷却。与之形成鲜明对比的是，在室温下使用配备 InGaAs 的相机也可以获得类似的灵敏度。

从本质上讲，InGaAs 相机可以很小并且使用很少的功率，但可以产生很大的效果。传感器 Unlimited InGaAs 相机提供 VGA 分辨率，采用 1.25" × 1.25" × 1.10" 的微型封装，稳态时功耗仅为 1.5W。我们还提供高清（1 兆像素）分辨率，采用 2" × 2" × 2.43" 封装≤ 3.0W 稳态功耗。

短波红外和热成像

热像仪是另一类具有出色检测能力的相机。这些成像仪在许多应用中补充了 SWIR 成像。热成像仪可以检测冷背景下温暖物体的存在，而短波红外成像仪可以提供识别和识别以及具有对比度和阴影的深度感知。

透过玻璃拍摄

最后，SWIR 成像的一个主要优势是其他技术无法比拟的，它能够透过玻璃成像。除了最苛刻的应用之外，这些相机可以使用传统的、具有成本效益的可见相机镜头。特别昂贵的光学元件或环境硬化外壳大多是不必要的，使其可用于各种应用和行业。这还允许将 SWIR 相机安装在保护玻璃窗后面，从而在将相机系统定位在危险环境中时提供额外的灵活性。

那么，为什么选择 SWIR？

• 高灵敏度

• 高分辨率

• Nightglow（夜空光辉）

• 昼夜成像

• 隐蔽照明

• 查看隐蔽的激光和信标

• 无需低温冷却

• 传统的低成本可见光谱镜片

• 体积小

• 低功耗

什么是 InGaAs？

InGaAs，或铟镓砷，是砷化镓和砷化铟的合金。在更一般的意义上，它属于由砷化铟（InAs）、砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）和磷化镓（GaP）的合金组成的InGaAsP四元系。由于镓和铟属于元素周期表的III族，砷和磷属于V族，这些二元材料及其合金都是III-V族化合物半导体。

为什么要经历所有的麻烦？

在很大程度上，半导体的电学和光学特性取决于其能带隙以及带隙是“直接”还是“间接”。 InGaAsP 四元系的四个二元成员的能带隙范围为 0.33 eV (InAs) 至 2.25 eV (GaP)，InP (1.29 eV) 和 GaAs (1.43 eV) 介于两者之间。在 SUI，我们强调光电探测器，因此我们最关心的是半导体的光学特性。半导体只能检测光子能量大于带隙的光，或者换句话说，其波长短于与带隙相关的截止波长。这种“长波长截止”对于 InAs 为 3.75 μm，对于 GaP 为 0.55 μm，InP 为 0.96 μm，GaAs 为 0.87 μm。

通过混合两种或多种二元化合物，可以将所得三元和四元半导体的特性调整到中间值。挑战在于，不仅能带隙取决于合金成分，因此产生的晶格常数也是如此。对于我们的四个二元成员，晶格常数范围从 5.4505 Å (GaP) 到 6.0585 Å (InAs)，GaAs 为 5.6534 Å，InP 为 5.8688 Å。 InGaAsP族4种三元合金的晶格常数与长波长截止波长的关系如图2所示。

让我们回到 InGaAs

InAs/GaAs合金被称为InxGa1-xAs，其中x是InAs的比例，1-x是GaAs的比例。这些合金的晶格常数和长波长截止波长如图 1 中的红线所示。挑战在于，虽然可以通过多种技术制造 InxGa1-xAs 薄膜，但需要基板来支撑薄电影。如果薄膜和基板的晶格常数不同，则薄膜的性能会严重下降。

由于许多原因，Inx-Ga1-xAs 最方便的衬底是 InP。可提供直径达 100 mm 的高质量 InP 基板。含有 53% InAs 的 InxGa1-xAs 通常被称为“标准 InGaAs”，而无需注意“x”或“1-x”的值，因为它具有与 InP 相同的晶格常数，因此这种组合会产生非常高质量的薄电影。

标准 InGaAs 具有 1.7 μm 的长波长截止。这意味着它对信号色散最小且沿玻璃纤维传输最远的光波长（1.3 μm 和 1.55 μm）敏感，因此可以检测“人眼安全”激光（波长大于 1.4 μm）。它是探测夜空自然辉光的最佳波段。 SUI 的核心产品线基于 PIN 和雪崩光电二极管以及由标准 InGaAs 制成的光电二极管阵列。

什么是“扩展波长”InGaAs？

标准 InGaAs 具有 1.7 μm 的长波长截止。许多应用需要检测更长波长的光。一个重要的例子是能够通过测量 1.9 μm 的吸水率来测量农产品中的水分含量。另一个例子是光探测和测距 (LiDAR)，在飞机上用于探测清晰的空气湍流。 LiDAR 系统通常使用发射波长为 2.05 μm 的光的激光器。截止波长较长的 InxGa1-xAs 称为“扩展波长 InGaAs”。

似乎所有人所要做的就是在混合物中添加更多的 InAs，但这并不容易。这增加了薄膜的晶格常数，导致与衬底的失配，从而降低了薄膜的质量。 SUI 投入了大量工作来学习种植高质量的扩展波长 InGaAs，这反映在产品供应中。我们的努力结果总结在图 2 中，它以红色显示了标准 InGaAs 的量子效率以及两种扩展波长合金 X =0.74（蓝色）和 X =0.82（绿色）的量子效率。还显示了 1.45 μm 变体的短截止光谱响应。正如我们常说的，“InxGa1-xAs 始于硅离开的地方。”

本文由 Sensors Unlimited 的工程师撰写 - 隶属于 Collins Aerospace（新泽西州普林斯顿）。欲了解更多信息，请访问 这里 .