Как арсенид индия-галлия (InGaAs) улучшает определение SWIR

Обнаружение в коротковолновом инфракрасном диапазоне (длины волн от 0,9 до 1,7 микрон) стало практичным благодаря разработке датчиков на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). Компания Sensors Unlimited, Inc., входящая в состав Collins Aerospace, специализируется на производстве одномерных линейных матриц InGaAs, двумерных матричных камер в фокальной плоскости и SWIR-систем. Но зачем вообще использовать SWIR?

Во-первых, основной факт:свет в диапазоне SWIR не виден человеческому глазу. Видимый спектр простирается от длины волны 0,4 мкм (синий, почти ультрафиолетовый для глаза) до 0,7 мкм (темно-красный). Более длинные волны могут быть обнаружены только специальными датчиками, такими как InGaAs. Хотя свет в коротковолновой инфракрасной области не виден глазу, этот свет взаимодействует с объектами так же, как и видимые волны. То есть свет SWIR является отражающим светом; он отражается от объектов так же, как видимый свет.

Из-за своей отражающей природы свет SWIR имеет тени и контраст в своих изображениях. Изображения с камеры InGaAs сравнимы с черно-белыми видимыми изображениями по разрешению и детализации. Это делает объекты легко узнаваемыми и дает одно из тактических преимуществ SWIR, а именно идентификацию объекта или индивидуума. Это делает InGaAs интересным, но что делает его полезным?

Чем полезен InGaAs?

Датчики InGaAs можно сделать чрезвычайно чувствительными, буквально подсчитывающими отдельные фотоны. При построении в виде массива в фокальной плоскости с тысячами или миллионами крошечных точечных датчиков или сенсорных пикселей SWIR-камеры будут работать в очень темных условиях. Очки ночного видения существуют уже несколько десятилетий и работают, улавливая и усиливая отраженный видимый свет звезд или другой окружающий свет в так называемых трубках усиления изображения (I-Squared). Эта технология хорошо зарекомендовала себя в очках ночного видения прямого обзора. Но когда изображение необходимо отправить в удаленное место (например, в разведывательный центр), не существует практического метода, который не вводил бы ограничений по надежности и чувствительности (например, I2CCD). Поскольку все датчики SUI SWIR преобразуют свет в электрические сигналы, они по своей природе подходят для хранения или передачи данных.

Использование SWIR ночью имеет еще одно важное преимущество. Атмосферное явление, называемое сиянием ночного неба, излучает в пять-семь раз больше света, чем свет звезд, почти все в диапазоне длин волн SWIR. С помощью SWIR-камеры и этого ночного сияния, которое часто называют ночным свечением, мы можем «видеть» объекты с большой четкостью в безлунные ночи и делиться этими изображениями по сети, как никакая другая технология обработки изображений.

А разве нет других камер, работающих в коротковолновом инфракрасном диапазоне? Да. Датчики, изготовленные из таких материалов, как теллурид ртути-кадмия (Hg-CdTe) или антимонид индия (InSb), могут быть очень чувствительными в диапазоне SWIR. Однако, чтобы увеличить отношение сигнал/шум до приемлемого уровня, эти камеры необходимо охлаждать криогенно. Напротив, аналогичная чувствительность может быть достигнута при комнатной температуре с камерой, оснащенной InGaAs.

По сути, InGaAs-камеры могут быть небольшими и потреблять очень мало энергии, но давать большие результаты. Датчики Unlimited InGaAs-камеры предлагают разрешение VGA в миниатюрном корпусе 1,25" × 1,25" × 1,10" и потребляют всего 1,5 Вт в стабильном режиме. Мы также предлагаем разрешение HD (1 мегапиксель) в корпусе 2" × 2" × 2,43" с Потребляемая мощность ≤ 3,0 Вт в стабильном режиме.

SWIR и тепловидение

Тепловизоры — еще один класс камер с отличными возможностями обнаружения. Эти имидж-сканеры дополняют SWIR-изображения во многих приложениях. В то время как тепловизоры могут обнаружить присутствие теплого объекта на холодном фоне, тепловизор SWIR может обеспечить распознавание и идентификацию, а также восприятие глубины с контрастом и тенями.

Изображение сквозь стекло

Наконец, одним из основных преимуществ SWIR-изображения, не имеющих себе равных в других технологиях, является возможность изображения через стекло. В этих камерах можно использовать обычные экономичные объективы видимых камер для всех приложений, кроме самых требовательных. В большинстве случаев нет необходимости в специальной дорогой оптике или защищенных от воздействия окружающей среды корпусах, что делает их доступными для самых разных областей применения и отраслей. Это также позволяет устанавливать SWIR-камеру за окном из защитного стекла, что обеспечивает дополнительную гибкость при размещении системы камер в опасной среде.

Итак, почему SWIR?

• Высокая чувствительность

• Высокое разрешение

• Nightglow (сияние ночного неба)

• Съемка днем ​​и ночью

• Скрытое освещение

• Увидеть скрытые лазеры и маяки

• Криогенное охлаждение не требуется

• Обычные недорогие линзы видимого спектра

• Маленький размер

• Низкое энергопотребление

Что такое InGaAs?

InGaAs, или арсенид индия-галлия, представляет собой сплав арсенида галлия и арсенида индия. В более общем смысле он принадлежит к четверной системе InGaAsP, состоящей из сплавов арсенида индия (InAs), арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и фосфида галлия (GaP). Поскольку галлий и индий принадлежат к группе III Периодической таблицы, а мышьяк и фосфор относятся к группе V, эти бинарные материалы и их сплавы являются составными полупроводниками III–V.

Зачем преодолевать все трудности?

В значительной степени электрические и оптические свойства полупроводника зависят от его ширины запрещенной зоны и от того, является ли она «прямой» или «непрямой». Ширина запрещенной зоны четырех бинарных членов четверной системы InGaAsP находится в диапазоне от 0,33 эВ (InAs) до 2,25 эВ (GaP), причем InP (1,29 эВ) и GaAs (1,43 эВ) находятся между ними. В SUI мы уделяем особое внимание фотодетекторам, поэтому больше всего заботимся об оптических свойствах полупроводников. Полупроводник будет обнаруживать свет только с энергией фотона, превышающей ширину запрещенной зоны, или, другими словами, с длиной волны короче, чем длина волны отсечки, связанная с шириной запрещенной зоны. Это «длинноволновое отсечение» составляет 3,75 мкм для InAs и 0,55 мкм для GaP с InP на 0,96 мкм и GaAs на 0,87 мкм.

Путем смешивания двух или более бинарных соединений свойства получающихся тройных и четверных полупроводников могут быть доведены до промежуточных значений. Проблема заключается в том, что не только ширина запрещенной зоны зависит от состава сплава, но и результирующая постоянная решетки. Для наших четырех бинарных членов постоянные решетки колеблются от 5,4505 Å (GaP) до 6,0585 Å (InAs) с GaAs при 5,6534 Å и InP при 5,8688 Å. Взаимосвязь между постоянной решетки и длинноволновой отсечкой четырех тройных сплавов семейства InGaAsP показана на рисунке 2.

Вернемся к InGaAs

Сплав InAs/GaAs обозначается как InxGa1-xAs, где x — доля InAs, а 1-x — доля GaAs. Постоянные решетки и длинноволновые границы этих сплавов показаны красными линиями на рис. 1. Проблема заключается в том, что, несмотря на возможность изготовления тонких пленок InxGa1-xAs с помощью ряда методов, требуется подложка, чтобы удерживать тонкие пленки. фильм. Если тонкая пленка и подложка имеют разные постоянные решетки, то свойства тонкой пленки будут сильно ухудшаться.

По многим причинам наиболее удобной подложкой для Inx-Ga1-xAs является InP. Доступны высококачественные подложки InP диаметром до 100 мм. InxGa1-xAs с 53% InAs часто называют «стандартным InGaAs», не обращая внимания на значения «x» или «1-x», потому что он имеет ту же постоянную решетки, что и InP, и поэтому комбинация приводит к очень высококачественным тонким фильмы.

Стандартный InGaAs имеет длинноволновую отсечку 1,7 мкм. Это означает, что он чувствителен к длинам волн света, которые подвержены наименьшей дисперсии сигнала и проходят дальше всего по стеклянному волокну (1,3 мкм и 1,55 мкм), поэтому обнаруживают «безопасные для глаз» лазеры (длины волн более 1,4 мкм). Это оптимальный диапазон длин волн для обнаружения естественного свечения ночного неба. Основные линейки продуктов SUI основаны на PIN-кодах и лавинных фотодиодах, а также на матрицах фотодиодов, изготовленных из стандартного InGaAs.

Что такое InGaAs с «расширенной длиной волны»?

Стандартный InGaAs имеет длинноволновую отсечку 1,7 мкм. Многие приложения требуют обнаружения света с большей длиной волны. Важным примером является возможность измерения содержания влаги в сельскохозяйственных продуктах путем измерения водопоглощения при 1,9 мкм. Другой пример — световое обнаружение и определение дальности (LiDAR), используемые в самолетах для обнаружения турбулентности в чистом воздухе. В системах LiDAR часто используются лазеры, излучающие свет с длиной волны 2,05 мкм. InxGa1-xAs с более длинной отсечкой называется InGaAs с увеличенной длиной волны.

Кажется, что все, что нужно сделать, это добавить немного больше InAs в смесь, но это не так просто. Это увеличивает постоянную решетки тонкой пленки, что вызывает несоответствие с подложкой и, таким образом, снижает качество тонкой пленки. Компания SUI приложила много усилий, чтобы научиться выращивать высококачественный InGaAs с увеличенной длиной волны, и это находит отражение в предлагаемых продуктах. Результаты наших усилий представлены на рисунке 2, где показана квантовая эффективность стандартного InGaAs (красный цвет) вместе с квантовой эффективностью двух сплавов с увеличенной длиной волны:X =0,74 (синий) и X =0,82 (зеленый). Также показана спектральная характеристика варианта с короткой отсечкой на 1,45 мкм. Как мы любим говорить, «InxGa1-xAs начинается там, где заканчивается кремний».

Эта статья была написана инженерами компании Sensors Unlimited, входящей в состав Collins Aerospace (Принстон, штат Нью-Джерси). Для получения дополнительной информации посетите здесь .