Hoe Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Short-Wave Infrared (SWIR) sensing verbetert

Sensing in het kortgolvige infraroodbereik (golflengtes 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, gespecialiseerd in het fabriceren van InGaAs eendimensionale lineaire arrays, tweedimensionale focal-plane array camera's, en SWIR systemen. Maar waarom überhaupt SWIR gebruiken?

Basisprincipes van SWIR

Eerst een basisfeit: licht in het SWIR-band is niet zichtbaar voor het menselijk oog. Het zichtbare spectrum strekt zich uit van golflengtes van 0,4 micron (blauw, bijna ultraviolett voor het oog) tot 0,7 micron (dieprood). Langere golflengtes kunnen alleen door toegewijde sensoren gezien worden, zoals InGaAs. Hoewel licht in het kortgolvige infraroodgebied niet zichtbaar is voor het oog, interageert dit licht met objecten op een vergelijkbare manier als zichtbare golflengtes. Dat wil zeggen, SWIR-licht is reflecterend licht; het kaatst van objecten net als zichtbaar licht.

Als gevolg van zijn reflecterende aard heeft SWIR-licht schaduwen en contrast in zijn beelden. Beelden van een InGaAs-camera zijn vergelijkbaar met zwart-wit zichtbare beelden in resolutie en detail. Dit maakt objecten gemakkelijk herkenbaar en levert een van de tactische voordelen van 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 gemaakt worden, letterlijk individuele fotonen tellend. Wanneer gebouwd als focal plane array – met duizenden of miljoenen kleine puntsensoren, of sensorpixels – zullen SWIR-camera's werken in zeer donkere omstandigheden. Nachtkijkers zijn al enkele decennia beschikbaar en werken door gereflecteerd zichtbaar sterrenlicht, of ander omgevingslicht, te waarnemen en te versterken in wat image intensificatie (I-kwadraat) buizen genoemd wordt. Deze technologie heeft goed gewerkt voor direct-view nachtkijkers. Maar wanneer een beeld naar een externe locatie moet worden gestuurd (een inlichtingencentrum, bijvoorbeeld), is er geen praktische methode die geen betrouwbaarheids- en gevoeligheidsbeperkingen introduceert (bijv. 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 een ander groot voordeel. Een atmosferisch fenomeen genaamd nachtelijke hemelstraling emitteert vijf tot zeven keer meer verlichting dan sterrenlicht, bijna volledig in SWIR-golflengtes. Met een SWIR-camera en deze nachtstraling – vaak nachtglans genoemd – kunnen we objecten met grote helderheid op maneloze nachten „zien” en deze beelden over netwerken delen zoals geen andere imagingtechnologie kan.

Maar zijn er geen andere camera's die in het kortgolvige infraroodbereik opereren? Ja. Sensoren geconstrueerd uit materialen zoals kwik cadmium telluride (Hg-CdTe) of indium antimonide (InSb) kunnen erg gevoelig zijn in het SWIR-band. Echter, om hun signaal-ruisverhouding tot bruikbare niveaus te verhogen, moeten deze camera's cryogenisch gekoeld worden. In schril contrast kan vergelijkbare gevoeligheid bij kamertemperatuur bereikt worden met een InGaAs-uitgeruste camera.

Essenitieel kunnen InGaAs-camera's klein zijn en heel weinig stroom verbruiken, maar grote resultaten leveren. Sensors Unlimited InGaAs-camera's bieden VGA-resolutie in een minuscule 1,25" × 1,25" × 1,10" pakket en slechts 1,5W stroomverbruik in rust. We bieden ook HD (1 Megapixel) resolutie in een 2" × 2" × 2,43" pakket met ≤ 3,0W stroomverbruik in rust.

SWIR en thermische imaging

Thermische cameras zijn een andere klasse camera's met uitstekende detectiemogelijkheden. Deze cameras complementeren SWIR-imaging in veel toepassingen. Terwijl thermische cameras de aanwezigheid van een warm object op een koele achtergrond kunnen detecteren, kan een SWIR-imager herkenning en identificatie bieden alsook diepteperceptie met contrast en schaduwen.

Beeldvorming door glas heen

Ten slotte, een groot voordeel van SWIR-imaging dat ongeëvenaard is door andere technologieën is de mogelijkheid om door glas te imageren. Deze camera's kunnen conventionele, kosteneffectieve zichtbare camera-lensen gebruiken voor alle behalve de meest veeleisende toepassingen. Speciale dure optica of omgevingsbestendige behuizingen zijn meestal onnodig, wat ze beschikbaar maakt voor een breed scala aan toepassingen en industrieën. Dit stelt ook de SWIR-camera in staat om achter een beschermend glasraam gemonteerd te worden, wat extra flexibiliteit biedt bij het positioneren van het camera-systeem in een gevaarlijke omgeving.

Waarom SWIR?

• Hoge gevoeligheid

• Hoge resolutie

• Nachtglans (nachtelijke hemelstraling)

• Dag-naar-nacht imaging

• Overt verlichting

• Zie overt lasers en bakens

• Geen cryogene koeling vereist

• Conventionele, goedkope zichtbare-spectrum lenzen

• Kleine afmetingen

• Laag stroomverbruik

Wat is InGaAs?

InGaAs, of indium gallium arsenide, is een legering van gallium arsenide en indium arsenide. In een meer algemene zin behoort het tot het InGaAsP quaternaire systeem dat bestaat uit legeringen van indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs), indium fosfaat (InP), en gallium fosfaat (GaP). Omdat gallium en indium tot Groep III van het Periodiek Systeem behoren, en arsenic en fosfor tot Groep V, zijn al deze binaire materialen en hun legeringen III-V samengevoegde halfgeleiders.

Waarom al die moeite?

Tot grote mate hangen de elektrische en optische eigenschappen van een halfgeleider af van zijn energiegolf en of de energiegolf „direct” of „indirect” is. De energiegolven 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) ertussenin. Bij SUI benadrukken we fotodetectoren, dus we zorgen ons het meest om de optische eigenschappen van halfgeleiders. Een halfgeleider zal alleen licht detecteren met fotonenergie groter dan de energiegolf, of om het anders te zeggen, met een golflengte korter dan de afsnijgolflengte geassocieerd met de energiegolf. Deze „lange golflengte afsnij” werkt uit op 3,75 μm voor InAs en 0,55 μm voor GaP met InP op 0,96 μm en GaAs op 0,87 μm.

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

Terug naar InGaAs

De InAs/GaAs legering wordt aangeduid als InxGa1-xAs waar x de fractie van InAs is en 1-x de fractie van GaAs. De roosterconstanten en lange golflengte afsnijden van deze legeringen zijn afgebeeld 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, een substraat vereist is om de dunne film te ondersteunen. Als de dunne film en de substraat niet dezelfde roosterconstante hebben, zullen de eigenschappen van de dunne film ernstig worden gedegradeerd.

Vanwege veel redenen is de meest handige substraat voor Inx-Ga1-xAs InP. Hoogwaardige InP substraten zijn beschikbaar met diameters zo groot als 100 mm. InxGa1-xAs met 53% InAs wordt vaak „standaard InGaAs” genoemd zonder de waarden van „x” of „1-x” te noemen omdat het dezelfde roosterconstante heeft als InP en dus de combinatie leidt tot zeer hoogwaardige dunne films.

Standaard InGaAs heeft een lange golflengte afsnij van 1,7 μm. Dit betekent dat het gevoelig is voor de golflengtes van het licht dat de minste signaaldispersie lijdt en het verst een glasvezel naar beneden transmitteert (1,3 μm en 1,55 μm), daarom „oogveilige” lasers detecterend (golflengtes langer dan 1,4 μm). Het is het optimale golflengteband voor het detecteren van de natuurlijke gloed van de nachtelijke hemel. SUI's kernproductlijnen zijn gebaseerd op PIN en lawine fotodioden en fotodiodenarrays gemaakt van standaard InGaAs.

Wat is „Extended Wavelength” InGaAs?

Standaard InGaAs heeft een lange golflengte afsnij van 1,7 μm. Veel toepassingen vereisen de detectie van licht met langere golflengtes. Een belangrijk voorbeeld is de mogelijkheid om vochtgehalte in landbouwproducten te meten door waterabsorptie te meten op 1,9 μm. Een ander voorbeeld is light detection and ranging (LiDAR), gebruikt in vliegtuigen om duidelijke luchttrillingen te detecteren. LiDAR-systemen gebruiken vaak lasers die licht emitteren met een golflengte van 2,05 μm. InxGa1-xAs met een langere afsnij wordt „extended wavelength InGaAs” genoemd.

Het lijkt alsof men alleen wat meer InAs aan de mix hoeft toe te voegen, maar het is niet zo makkelijk. Dit verhoogt de roosterconstante van de dunne film, wat een mismatch met de substraat veroorzaakt, en dus de kwaliteit van de dunne film vermindert. SUI heeft veel werk gestoken in het leren groeien van hoogwaardige extended wavelength InGaAs, en dit weerspiegelt zich in productaanbiedingen. De resultaten van onze inspanningen zijn samengevat in Figuur 2, die de kwantumefficiëntie van standaard InGaAs in het rood toont samen met de kwantumefficiënties van twee extended wavelength legeringen, X=0,74 (blauw) en X=0,82 (groen). De spectrale respons van een short-cutoff op 1,45 μm 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). Voor meer informatie, bezoek hier .