Hoe Indium Gallium Arsenide (InGaAs) SWIR-waarneming verbetert

Sensing in het kortegolf-infraroodbereik (golflengten van 0,9 tot 1,7 micron) is praktisch gemaakt door de ontwikkeling van Indium Gallium Arsenide (InGaAs)-sensoren. Sensors Unlimited, Inc., een onderdeel van Collins Aerospace, is gespecialiseerd in de productie van InGaAs eendimensionale lineaire arrays, tweedimensionale focalplane array-camera's en SWIR-systemen. Maar waarom zelfs SWIR gebruiken?

Ten eerste een basisfeit:licht in de SWIR-band is niet zichtbaar voor het menselijk oog. Het zichtbare spectrum strekt zich uit van golflengten van 0,4 micron (blauw, bijna ultraviolet voor het oog) tot 0,7 micron (dieprood). Langere golflengten kunnen alleen worden gezien door speciale sensoren, zoals InGaAs. Hoewel licht in het kortegolf-infraroodgebied niet zichtbaar is voor het oog, interageert dit licht op dezelfde manier als zichtbare golflengten met objecten. Dat wil zeggen, SWIR-licht is reflecterend licht; het weerkaatst op objecten zoals zichtbaar licht.

Als gevolg van zijn reflecterende karakter heeft SWIR-licht schaduwen en contrast in zijn beelden. Beelden van een InGaAs-camera zijn qua resolutie en detail vergelijkbaar met zwart-wit zichtbare beelden. Dit maakt objecten gemakkelijk herkenbaar en levert een van de tactische voordelen van de SWIR op, namelijk object- of individuele identificatie. Dit maakt InGaAs interessant, maar wat maakt het nuttig?

Wat maakt InGaAs nuttig?

InGaAs-sensoren kunnen extreem gevoelig worden gemaakt, waarbij individuele fotonen letterlijk worden geteld. Wanneer gebouwd als focal plane array - met duizenden of miljoenen kleine puntsensoren of sensorpixels - zullen SWIR-camera's werken in zeer donkere omstandigheden. Nachtkijkers bestaan ​​al tientallen jaren en werken door het waarnemen en versterken van gereflecteerd zichtbaar sterrenlicht, of ander omgevingslicht, in zogenaamde beeldversterkingsbuizen (I-Squared). Deze technologie heeft goed gewerkt voor nachtkijkers met direct zicht. Maar wanneer een afbeelding naar een afgelegen locatie moet worden verzonden (bijvoorbeeld een inlichtingencentrum), is er geen praktische methode die geen betrouwbaarheids- en gevoeligheidsbeperkingen introduceert (bijvoorbeeld I2CCD). Omdat alle SWIR-sensoren van SUI licht omzetten in elektrische signalen, zijn ze inherent geschikt voor opslag of transmissie.

Het gebruik van SWIR 's nachts heeft nog een ander groot voordeel. Een atmosferisch fenomeen genaamd nachtelijke hemelstraling straalt vijf tot zeven keer meer verlichting uit dan sterrenlicht, bijna allemaal in de SWIR-golflengten. Met een SWIR-camera en deze nachtelijke uitstraling - vaak nachtgloed genoemd - kunnen we objecten met grote helderheid 'zien' op maanloze nachten en deze beelden delen via netwerken zoals geen enkele andere beeldtechnologie dat kan.

Maar zijn er geen andere camera's die in het kortegolf-infraroodbereik werken? Ja. Sensoren die zijn gemaakt van materialen zoals kwik-cadmiumtelluride (Hg-CdTe) of indiumantimonide (InSb) kunnen zeer gevoelig zijn in de SWIR-band. Om hun signaal-ruisverhouding tot bruikbare niveaus te verhogen, moeten deze camera's echter cryogeen worden gekoeld. In schril contrast kan een vergelijkbare gevoeligheid worden bereikt bij kamertemperatuur met een met InGaAs uitgeruste camera.

In wezen kunnen InGaAs-camera's klein zijn en weinig stroom verbruiken, maar grote resultaten opleveren. Sensoren Onbeperkte InGaAs-camera's bieden VGA-resolutie in een klein 1,25" × 1,25" × 1,10"-pakket en slechts 1,5 W stroomverbruik bij stabiele toestand. We bieden ook HD (1 Megapixel) resolutie in een 2" × 2" × 2,43"-pakket met ≤ Stroomverbruik van 3,0 W in stabiele toestand.

SWIR en thermische beeldvorming

Warmtebeeldcamera's zijn een andere klasse camera's met uitstekende detectiemogelijkheden. Deze imagers vormen een aanvulling op SWIR-beeldvorming in veel toepassingen. Terwijl warmtebeeldcamera's de aanwezigheid van een warm object tegen een koele achtergrond kunnen detecteren, kan een SWIR-beeldcamera herkenning en identificatie bieden, evenals dieptewaarneming met contrast en schaduwen.

Beeld door glas

Ten slotte is een groot voordeel van SWIR-beeldvorming dat ongeëvenaard is door andere technologieën, de mogelijkheid om door glas te fotograferen. Deze camera's kunnen conventionele, kosteneffectieve zichtbare cameralenzen gebruiken voor alle, behalve de meest veeleisende toepassingen. Speciale dure optieken of milieuvriendelijke geharde behuizingen zijn meestal niet nodig, waardoor ze beschikbaar zijn voor een breed scala aan toepassingen en industrieën. Hierdoor kan de SWIR-camera ook achter een beschermend glazen raam worden gemonteerd, wat extra flexibiliteit biedt bij het plaatsen van het camerasysteem in een gevaarlijke omgeving.

Dus, waarom SWIR?

• Hoge gevoeligheid

• Hoge resolutie

• Nightglow (straling van de nachtelijke hemel)

• Beeldvorming van dag naar nacht

• Verborgen verlichting

• Zie geheime lasers en bakens

• Geen cryogene koeling nodig

• Conventionele, goedkope lenzen met zichtbaar spectrum

• Klein formaat

• Laag vermogen

Wat is InGaAs?

InGaAs, of indium galliumarsenide, is een legering van galliumarsenide en indiumarsenide. In meer algemene zin behoort het tot het InGaAsP quaternaire systeem dat bestaat uit legeringen van indiumarsenide (InAs), galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (InP) en galliumfosfide (GaP). Aangezien gallium en indium tot groep III van het periodiek systeem behoren, en arseen en fosfor tot groep V, zijn deze binaire materialen en hun legeringen allemaal III-V samengestelde halfgeleiders.

Waarom al die moeite doen?

De elektrische en optische eigenschappen van een halfgeleider hangen in grote mate af van de energiebandgap en of de bandgap "direct" of "indirect" is. De energiebandgaps van de vier binaire leden van het InGaAsP quaternaire systeem variëren van 0,33 eV (InAs) tot 2,25 eV (GaP), met InP (1,29 eV) en GaAs (1,43 eV) daartussenin. Bij SUI leggen we de nadruk op fotodetectoren, dus we geven het meest om de optische eigenschappen van halfgeleiders. Een halfgeleider zal alleen licht detecteren met een fotonenergie die groter is dan de bandgap, of anders gezegd, met een golflengte die korter is dan de afsnijgolflengte die bij de bandgap hoort. Deze "afsnijding voor lange golflengten" komt uit op 3,75 m voor InAs en 0,55 m voor GaP met InP op 0,96 m en GaAs op 0,87 m.

Door twee of meer van de binaire verbindingen te mengen, kunnen de eigenschappen van de resulterende ternaire en quaternaire halfgeleiders worden afgestemd op tussenliggende waarden. De uitdaging is dat niet alleen de energiebandafstand afhangt van de samenstelling van de legering, maar ook de resulterende roosterconstante. Voor onze vier binaire leden variëren de roosterconstanten van 5,4505 (GaP) tot 6,0585 Å (InAs) met GaAs op 5,6534 en InP op 5,8688 . De relatie tussen de roosterconstante en de afsnijding op lange golflengte van de 4 ternaire legeringen in de InGaAsP-familie wordt getoond in figuur 2.

Laten we teruggaan naar InGaAs

De InAs/GaAs-legering wordt InxGa1-xAs genoemd, waarbij x het aandeel InAs is en 1-x het aandeel GaAs. De roosterconstanten en grenswaarden voor lange golflengten van deze legeringen worden weergegeven als de rode lijnen in figuur 1. De uitdaging is dat, hoewel het mogelijk is om dunne films van InxGa1-xAs te maken met een aantal technieken, er een substraat nodig is om de dunne film. Als de dunne film en het substraat niet dezelfde roosterconstante hebben, gaan de eigenschappen van de dunne film ernstig achteruit.

Om tal van redenen is InP het meest geschikte substraat voor Inx-Ga1-xAs. InP-substraten van hoge kwaliteit zijn verkrijgbaar met diameters tot 100 mm. InxGa1-xAs met 53% InAs wordt vaak "standaard InGaAs" genoemd zonder de waarden van "x" of "1-x" te noteren omdat het dezelfde roosterconstante heeft als InP en daarom leidt de combinatie tot zeer hoogwaardige dunne films.

Standaard InGaAs heeft een lange golflengte-afsnijding van 1,7 m. Dit betekent dat het gevoelig is voor de golflengten van licht die de minste signaalverspreiding ondergaan en het verst naar beneden door een glasvezel zenden (1,3 m en 1,55 μm), waardoor "oogveilige" lasers worden gedetecteerd (golflengten langer dan 1,4 m). Het is de optimale golflengteband voor het detecteren van de natuurlijke gloed van de nachtelijke hemel. De kernproductlijnen van SUI zijn gebaseerd op PIN- en lawinefotodiodes en fotodiode-arrays gemaakt van standaard InGaAs.

Wat is InGaAs met "uitgebreide golflengte"?

Standaard InGaAs heeft een lange golflengte-afsnijding van 1,7 m. Veel toepassingen vereisen de detectie van licht met langere golflengten. Een belangrijk voorbeeld is de mogelijkheid om het vochtgehalte in landbouwproducten te meten door de wateropname bij 1,9 m te meten. Een ander voorbeeld is lichtdetectie en -bereik (LiDAR), dat in vliegtuigen wordt gebruikt om heldere luchtturbulentie te detecteren. LiDAR-systemen maken vaak gebruik van lasers die licht uitstralen met een golflengte van 2,05 m. InxGa1-xAs met een langere cutoff wordt "inGaAs met verlengde golflengte" genoemd.

Het lijkt alsof je alleen maar een beetje meer InAs aan de mix hoeft toe te voegen, maar zo eenvoudig is het niet. Dit verhoogt de roosterconstante van de dunne film, wat een mismatch met het substraat veroorzaakt, en dus de kwaliteit van de dunne film vermindert. SUI heeft veel werk gestoken in het leren kweken van InGaAs met verlengde golflengte van hoge kwaliteit, en dit wordt weerspiegeld in het productaanbod. De resultaten van onze inspanningen zijn samengevat in figuur 2, die de kwantumefficiëntie van standaard InGaAs in rood toont, samen met de kwantumefficiëntie van twee legeringen met verlengde golflengte, X =0,74 (blauw) en X =0,82 (groen). De spectrale respons van een short-cutoff bij 1,45 m variant wordt ook getoond. Zoals we graag zeggen:"InxGa1-xAs begint waar silicium ophoudt."

Dit artikel is geschreven door ingenieurs van Sensors Unlimited - een onderdeel van Collins Aerospace (Princeton, NJ). Ga voor meer informatie naar hier .