Как индиум-галлий-арсенид (InGaAs) улучшает SWIR-сенсинг в коротковолновом ИК

Сенсинг в коротковолновом ИК (0,9–1,7 мкм) стал практичным благодаря разработке датчиков InGaAs. Sensors Unlimited (Collins Aerospace) специализируется на 1D/2D массивах и SWIR-системах. Зачем нужен SWIR?

Основы SWIR

Свет в SWIR невидим глазу (видимый: 0,4–0,7 мкм). Длинные волны видят только выделенные сенсоры (InGaAs). SWIR-свет взаимодействует с объектами как видимый — отражается. Поэтому SWIR-изображения имеют тени и контраст, сопоставимы с черно-белыми видимыми по разрешению и деталям. Объекты легко узнаваемы — тактическое преимущество: идентификация объектов/лиц.

Что делает InGaAs полезным?

Чувствительность до одиночных фотонов. В виде фокальной плоскости (тысячи/миллионы пикселей) SWIR-камеры работают в темноте. Приборы ночного видения (I²) усиливают звездный свет, но передачу изображения в удаленный центр затрудняют (I2CCD). InGaAs преобразует свет в электрические сигналы — естественно подходит для хранения/передачи.

Ночное небосводное сияние (nightglow). Атмосферное явление дает 5–7 раз больше освещенности, чем звездный свет, почти всё в SWIR. С SWIR-камерой и nightglow «видим» объекты с высокой ясностью в безлунные ночи и делимся изображениями по сетям — уникально.

Без криогеники. HgCdTe или InSb требуют криогенного охлаждения для приемлемого С/Ш. InGaAs достигает аналогичной чувствительности при комнатной температуре.

Малый размер, низкое потребление. VGA в 1,25³ дюйма, 1,5 Вт; HD (1 Мп) в 2×2×2,43 дюйма, ≤3 Вт.

SWIR и тепловизия

Тепловизоры детектируют теплые объекты на холодном фоне. SWIR добавляет распознавание, идентификацию, глубину, контраст, тени.

Съемка через стекло

Уникальное преимущество: SWIR камеры работают через стекло. Можно использовать обычные дешевые видимые объективы (кроме экстремальных случаев). Специальная дорогая оптика и герметичные корпуса почти не нужны — широкая применимость. Можно монтировать за защитным стеклом в опасных средах.

Итог: почему SWIR?

• Высокая чувствительность
• Высокое разрешение
• Nightglow (ночное небосводное сияние)
• Дневная/ночная съемка
• Скрытая иллюминация
• Детекция скрытых лазеров/маяков
• Нет криогеники
• Дешевые видимые объективы
• Малый размер
• Низкое потребление

Что такое InGaAs?

InGaAs — сплав арсенида галлия и арсенида индия. Обобщенно — кватернарная система InGaAsP (InAs, GaAs, InP, GaP). Ga, In — группа III; As, P — группа V → III-V полупроводники.

Зачем сложности?

Электрооптические свойства зависят от ширины запрещенной зоны и её типа (прямая/косвенная). Запрещенные зоны четырех бинарных соединений: 0,33 эВ (InAs) – 2,25 эВ (GaP), InP 1,29 эВ, GaAs 1,43 эВ. Для фотодетекторов важны оптические свойства: полупроводник детектирует свет с энергией фотона > запрещенной зоны (длина волны < пороговой). Длинноволновые срезы: 3,75 мкм (InAs), 0,55 мкм (GaP), 0,96 мкм (InP), 0,87 мкм (GaAs).

Смешивание бинарных соединений позволяет настраивать тернарные/кватернарные свойства. Сложность: решетчная постоянная тоже зависит от состава. Для InGaAsP решетка: 5,4505 Å (GaP) – 6,0585 Å (InAs).

Возврат к InGaAs

InAs/GaAs сплав = InₓGa₁₋ₓAs (x — доля InAs). Удобнейшая подложка — InP. InₓGa₁₋ₓAs с 53% InAs = «стандартный InGaAs» (решетка совпадает с InP → высококачественные тонкопленочные структуры). Длинноволновый срез 1,7 мкм — оптимален для наименее диспергирующих длин волон в стекловолокне (1,3 и 1,55 мкм), детекции «глазобезопасных» лазеров (>1,4 мкм), ночного небосводного сияния. Основная линейка SUI — PIN и лавинные фотодиоды и массивы на стандартном InGaAs.

Что такое «расширенный диапазон» InGaAs?

Стандартный срез 1,7 мкм. Многие применения требуют более длинные волны: влага в сельхосводе (поглощение воды 1,9 мкм), лидары самолетов для ясной воздух турбулентности (лазеры 2,05 мкм). InₓGa₁₋ₓAs с большим срезом = «расширенный InGaAs».

Не так просто: больше InAs → больше решетка → несоответствие подложке → деградация. SUI много работало над качественным выращиванием расширенного InGaAs. Результаты: квантовая эффективность стандартного (красный) и двух расширенных (х=0,74 синий, х=0,82 зеленый), также вариант с коротким срезом 1,45 мкм. «InₓGa₁₋ₓAs начинается там, где заканчивается кремний».

Статья инженеров Sensors Unlimited (Collins Aerospace, Princeton, NJ). Подробнее: здесь.