氮化铟镓砷如何增强短波红外感应

短波红外范围（波长 0.9 至 1.7 微米）感应因氮化铟镓砷（InGaAs）传感器发展而变得实用。Collins Aerospace 旗下 Sensors Unlimited 专注制造 InGaAs 一维线阵列、二维面阵相机和 SWIR 系统。但为何使用 SWIR？

首先基本事实：SWIR 波段光人眼不可见。可见光谱从 0.4 微米（蓝、近紫外）至 0.7 微米（深红）。更长波长只能用专用传感器如 InGaAs 看到。虽 SWIR 光不可见，但其与物体相互作用方式类似可见波长。即 SWIR 光是反射光；像可见光一样从物体反射。

因其反射性，SWIR 光像具有阴影和对比度。InGaAs 相机图像在分辨率和细节上可比黑白可见光图像。这使物体易识别，产生 SWIR 战术优势之一：物体或个体识别。这让 InGaAs 有趣，但什么让它有用？

是什么让 InGaAs 有用？

InGaAs 传感器可做到极高灵敏度，字面上能单光子计数。制成面阵列——成千上万或百万微小点传感器/像素——SWIR 相机可在极暗条件工作。夜视仿几十年历史，通过感应放大反射星光或其他环境光（像增强 I² 管）工作。这技术对直视夜视仿效果好。但需将图像传至远程（如情报中心）时，无实用方法不引入可靠性和灵敏度限制（如 I2CCD）。因 SUI 所有 SWIR 传感器将光转电信号，固有适合存储或传输。

夜间用 SWIR 另一大优势：大气现象夜空辐射发出比星光强 5-7 倍照明，几乎全在 SWIR 波长。有 SWIR 相机和夜辐射（常称夜辉），无月之夜也能清晰“看见”物体，并能像其他成像技术无法做到的那样跨网络共享图像。

但不是还有其他相机在短波红外工作？有。碲化汞镉（Hg-CdTe）或锑化铟（InSb）材料传感器在 SWIR 波段可极高灵敏。但为将信噪比提至可用水平，这些相机必须低温制冷。鲜明对比：InGaAs 相机室温下即可达同等灵敏度。

本质上，InGaAs 相机体积小、功耗极低、却成果大。SUI InGaAs 相机在微型 1.25"×1.25"×1.10" 封装提供 VGA 分辨率，稳态仅 1.5W 功耗。也提供 2"×2"×2.43" 封装 HD（100 万像素）分辨率，稳态 ≤3.0W。

SWIR 与热成像

热成像仿是另一类极佳探测能力相机。它们在许多应用中互补 SWIR 成像。热成像仿能探测冷背景暖物体，SWIR 成像仿除提供识别辨认外，还能凭对比度和阴影提供深度感知。

透玻璃成像

最后，SWIR 成像一大无可匹敌优势是透玻璃成像。这些相机除最苛刻应用外，可用常规、高性价比可见光镜头。特殊昂贵光学件或环境硬化外壳多半不必要，适用广泛应用和行业。也允许 SWIR 相机安装在防护玻璃窗后，在危险环境定位相机系统提供额外灵活性。

所以，为何选 SWIR？

• 高灵敏度
• 高分辨率
• 夜辉（夜空辐射）
• 昼夜成像
• 隐蔽照明
• 看清隐蔽激光和信标
• 无需低温制冷
• 常规、低成本可见光谱镜头
• 小尺寸
• 低功耗

什么是 InGaAs？

InGaAs，即氮化铟镓砷，是砷化镓和砷化铟合金。广义上属 InGaAsP 四元系，含砷化铟、砷化镓、磷化铟、磷化镓合金。因镓铟属元素周期表 III 族，砷磷属 V 族，这些二元材料及其合金均为 III-V 族化合物半导体。

为何费周折？

很大程度上，半导体电学光学性质取决于能带隙及其“直接”/“间接”性质。InGaAsP 四元系四个二元成员能带隙从 0.33 eV (InAs) 到 2.25 eV (GaP)，InP (1.29 eV) 和 GaAs (1.43 eV) 介于两者间。SUI 重光电探测器，最关心半导体光学性质。半导体仅探测光子能量大于带隙的光，即波长短于带隙对应截止波长。此“长波长截止”对 InAs 算出 3.75 μm，GaP 0.55 μm，InP 0.96 μm，GaAs 0.87 μm。

混合两种或更多二元化合物，可调节所得三元/四元半导体性质至中间值。挑战在于不仅能带隙取决于合金成分，晶格常数也随之变化。四个二元成员晶格常数从 5.4505 Å (GaP) 到 6.0585 Å (InAs)，GaAs 5.6534 Å，InP 5.8688 Å。图 2 展示 InGaAsP 族四个三元合金晶格常数与长波长截止关系。

回到 InGaAs

InAs/GaAs 合金称 InxGa1-xAs，x 为 InAs 比例，1-x 为 GaAs 比例。这些合金晶格常数和长波长截止在图 1 红线所示。挑战：虽可用多种技术制备 InxGa1-xAs 薄膜，但需衬底支撑。薄膜与衬底晶格常数不匹配则薄膜性质严重退化。

诸多原因使 InP 成最便利 InxGa1-xAs 衬底。高质量 InP 衬底直径达 100 mm。InAs 占 53% 的 InxGa1-xAs 常称“标准 InGaAs”，不再标注 x 值，因其晶格常数与 InP 匹配，形成高质量薄膜。

标准 InGaAs 长波长截止 1.7 μm。意味着对光纤传输最远、信号色散最小的波长（1.3 μm 和 1.55 μm）敏感，故能探测“眼安全”激光（波长 >1.4 μm）。是探测天然夜空辉光最佳波段。SUI 核心产品线基于标准 InGaAs 制 PIN、雪崩光电二极管及阵列。

什么是“扩展波长” InGaAs？

标准 InGaAs 长波长截止 1.7 μm。许多应用需探测更长波长光。重要例子：测 1.9 μm 水吸收测农产品含水量。另例：飞机用光探测测距（LiDAR）探测晴空湍流，常用 2.05 μm 激光。截止更长的 InxGa1-xAs 称“扩展波长 InGaAs”。

似乎只需多加点 InAs，但没那么简单。这增大薄膜晶格常数，导致与衬底失配，降低薄膜质量。SUI 投入大量工作学会生长高质量扩展波长 InGaAs，反映在产品上。图 2 总结：标准 InGaAs 量子效率红色曲线，两扩展波长合金 X=0.74（蓝）、X=0.82（绿）量子效率，另展示 1.45 μm 短截止变体光谱响应。正如我们常说：“InxGa1-xAs 接管硅停止之处。”

本文由 Sensors Unlimited 工程师撰写——Collins Aerospace 一部分（新泽西普林斯顿）。更多信息请访问 here.