Wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) die SWIR-Erkennung verbessert

Die Erfassung im kurzwelligen Infrarotbereich (Wellenlängen von 0,9 bis 1,7 Mikrometer) wurde durch die Entwicklung von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs)-Sensoren praktikabel. Sensors Unlimited, Inc., ein Teil von Collins Aerospace, ist auf die Herstellung von eindimensionalen linearen InGaAs-Arrays, zweidimensionalen Focalplane-Array-Kameras und SWIR-Systemen spezialisiert. Aber warum überhaupt SWIR verwenden?

Zunächst eine grundlegende Tatsache:Licht im SWIR-Band ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Das sichtbare Spektrum reicht von Wellenlängen von 0,4 Mikrometer (blau, fast ultraviolett für das Auge) bis 0,7 Mikrometer (tiefrot). Längere Wellenlängen können nur von dedizierten Sensoren wie InGaAs gesehen werden. Obwohl Licht im kurzwelligen Infrarotbereich für das Auge nicht sichtbar ist, interagiert dieses Licht mit Objekten auf ähnliche Weise wie sichtbare Wellenlängen. Das heißt, SWIR-Licht ist reflektierendes Licht; es prallt von Objekten ab, ähnlich wie sichtbares Licht.

Aufgrund seiner reflektierenden Natur hat SWIR-Licht Schatten und Kontraste in seinen Bildern. Bilder von einer InGaAs-Kamera sind in Auflösung und Detailgenauigkeit mit sichtbaren Schwarz-Weiß-Bildern vergleichbar. Dies macht Objekte leicht erkennbar und liefert einen der taktischen Vorteile des SWIR, nämlich die Objekt- oder Personenidentifikation. Das macht InGaAs interessant, aber was macht es nützlich?

Was macht InGaAs nützlich?

InGaAs-Sensoren können extrem empfindlich gemacht werden und zählen buchstäblich einzelne Photonen. Als Focal-Plane-Array aufgebaut – mit Tausenden oder Millionen winziger Punktsensoren oder Sensorpixel – funktionieren SWIR-Kameras auch unter sehr dunklen Bedingungen. Nachtsichtbrillen gibt es schon seit mehreren Jahrzehnten und sie arbeiten, indem sie reflektiertes sichtbares Sternenlicht oder anderes Umgebungslicht in sogenannten Bildverstärkerröhren (I-Squared) erfassen und verstärken. Diese Technologie hat sich gut für Nachtsichtbrillen mit direkter Sicht bewährt. Aber wenn ein Bild an einen entfernten Ort (z. B. ein Geheimdienstzentrum) gesendet werden muss, gibt es kein praktisches Verfahren, das keine Zuverlässigkeits- und Empfindlichkeitseinschränkungen einführt (z. B. I2CCD). Da alle SWIR-Sensoren von SUI Licht in elektrische Signale umwandeln, sind sie von Natur aus für die Speicherung oder Übertragung geeignet.

Die Verwendung von SWIR bei Nacht hat einen weiteren großen Vorteil. Ein atmosphärisches Phänomen namens Nachthimmelstrahlung emittiert fünf- bis siebenmal mehr Licht als Sternenlicht, fast alles davon im SWIR-Wellenlängenbereich. Mit einer SWIR-Kamera und dieser Nachtstrahlung – oft als Nachtglühen bezeichnet – können wir Objekte in mondlosen Nächten mit großer Klarheit „sehen“ und diese Bilder über Netzwerke austauschen, wie es keine andere Bildgebungstechnologie kann.

Aber gibt es nicht auch andere Kameras, die im kurzwelligen Infrarotbereich arbeiten? Ja. Sensoren aus Materialien wie Quecksilber-Cadmium-Tellurid (Hg-CdTe) oder Indiumantimonid (InSb) können im SWIR-Band sehr empfindlich sein. Um jedoch ihren Signal-Rausch-Abstand auf brauchbare Werte zu erhöhen, müssen diese Kameras kryogen gekühlt werden. Im krassen Gegensatz dazu kann eine ähnliche Empfindlichkeit bei Raumtemperatur mit einer InGaAs-bestückten Kamera erreicht werden.

Im Wesentlichen können InGaAs-Kameras klein sein und sehr wenig Strom verbrauchen, aber große Ergebnisse liefern. Sensors Unlimited InGaAs-Kameras bieten VGA-Auflösung in einem winzigen 1,25" × 1,25" × 1,10"-Gehäuse und nur 1,5 W Stromverbrauch im Dauerzustand. Wir bieten auch HD-Auflösung (1 Megapixel) in einem 2" × 2" × 2,43"-Gehäuse an ≤ 3,0 W Leistungsaufnahme im stabilen Zustand.

SWIR und Wärmebildgebung

Wärmebildkameras sind eine weitere Kameraklasse mit hervorragenden Erkennungsfähigkeiten. Diese Imager ergänzen die SWIR-Bildgebung in vielen Anwendungen. Während Wärmebildkameras das Vorhandensein eines warmen Objekts vor einem kühlen Hintergrund erkennen können, kann eine SWIR-Bildkamera die Erkennung und Identifizierung sowie die Tiefenwahrnehmung mit Kontrast und Schatten ermöglichen.

Bild durch Glas

Schließlich ist ein großer Vorteil der SWIR-Bildgebung, der von anderen Technologien nicht erreicht wird, die Fähigkeit, Bilder durch Glas zu machen. Diese Kameras können herkömmliche, kostengünstige sichtbare Kameraobjektive für alle außer den anspruchsvollsten Anwendungen verwenden. Teure Spezialoptiken oder umgebungsfest gehärtete Gehäuse sind meist nicht erforderlich, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen und Branchen verfügbar sind. Dadurch kann die SWIR-Kamera auch hinter einem Schutzglasfenster montiert werden, was zusätzliche Flexibilität bei der Positionierung des Kamerasystems in einer gefährlichen Umgebung bietet.

Also, warum SWIR?

• Hohe Empfindlichkeit

• Hohe Auflösung

• Nightglow (Leuchten des Nachthimmels)

• Tag-zu-Nacht-Bildgebung

• Versteckte Beleuchtung

• Siehe verdeckte Laser und Beacons

• Keine kryogene Kühlung erforderlich

• Herkömmliche, kostengünstige Linsen für das sichtbare Spektrum

• Kleine Größe

• Geringer Stromverbrauch

Was ist InGaAs?

InGaAs oder Indiumgalliumarsenid ist eine Legierung aus Galliumarsenid und Indiumarsenid. Allgemeiner gesagt gehört es zum quaternären InGaAsP-System, das aus Legierungen von Indiumarsenid (InAs), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Galliumphosphid (GaP) besteht. Da Gallium und Indium zur Gruppe III des Periodensystems gehören und Arsen und Phosphor zur Gruppe V gehören, sind diese binären Materialien und ihre Legierungen alle III-V-Verbindungshalbleiter.

Warum sich den ganzen Ärger antun?

Die elektrischen und optischen Eigenschaften eines Halbleiters hängen zu einem großen Teil von seiner Energiebandlücke ab und davon, ob die Bandlücke „direkt“ oder „indirekt“ ist. Die Energiebandlücken der vier binären Mitglieder des quaternären InGaAsP-Systems reichen von 0,33 eV (InAs) bis 2,25 eV (GaP), wobei InP (1,29 eV) und GaAs (1,43 eV) dazwischen liegen. Bei SUI legen wir besonderen Wert auf Fotodetektoren, daher kümmern wir uns am meisten um die optischen Eigenschaften von Halbleitern. Ein Halbleiter erkennt nur Licht mit einer Photonenenergie, die größer als die Bandlücke ist, oder anders ausgedrückt, mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die mit der Bandlücke verbundene Grenzwellenlänge. Diese „langwellige Grenze“ beträgt 3,75 μm für InAs und 0,55 μm für GaP mit InP bei 0,96 μm und GaAs bei 0,87 μm.

Durch Mischen von zwei oder mehr der binären Verbindungen können die Eigenschaften der resultierenden ternären und quaternären Halbleiter auf Zwischenwerte abgestimmt werden. Die Herausforderung besteht darin, dass nicht nur die Energiebandlücke von der Legierungszusammensetzung abhängt, sondern auch die resultierende Gitterkonstante. Für unsere vier binären Mitglieder reichen die Gitterkonstanten von 5,4505 Å (GaP) bis 6,0585 Å (InAs) mit GaAs bei 5,6534 Å und InP bei 5,8688 Å. Die Beziehung zwischen der Gitterkonstante und der langwelligen Grenze der 4 ternären Legierungen in der InGaAsP-Familie ist in Abbildung 2 dargestellt.

Kehren wir zu InGaAs zurück

Die InAs/GaAs-Legierung wird als InxGa1-xAs bezeichnet, wobei x der Anteil von InAs und 1-x der Anteil von GaAs ist. Die Gitterkonstanten und Langwellen-Cutoffs dieser Legierungen sind als rote Linien in Abbildung 1 dargestellt. Die Herausforderung besteht darin, dass es zwar möglich ist, dünne Filme aus InxGa1-xAs mit einer Reihe von Techniken herzustellen, aber ein Substrat erforderlich ist, um die Dünnschicht zu halten Film. Wenn der Dünnfilm und das Substrat nicht die gleiche Gitterkonstante haben, werden die Eigenschaften des Dünnfilms stark verschlechtert.

Aus vielen Gründen ist InP das geeignetste Substrat für Inx-Ga1-xAs. Hochwertige InP-Substrate sind mit Durchmessern von bis zu 100 mm erhältlich. InxGa1-xAs mit 53% InAs wird oft als „Standard-InGaAs“ bezeichnet, ohne sich die Mühe zu machen, die Werte von „x“ oder „1-x“ zu notieren, da es die gleiche Gitterkonstante wie InP hat und daher die Kombination zu einer sehr hochwertigen Dünne führt Filme.

Standard-InGaAs hat eine langwellige Grenze von 1,7 μm. Dies bedeutet, dass es für die Lichtwellenlängen empfindlich ist, die die geringste Signalstreuung erleiden und am weitesten durch eine Glasfaser übertragen werden (1,3 μm und 1,55 μm), wodurch „augensichere“ Laser (Wellenlängen über 1,4 μm) erkannt werden. Es ist das optimale Wellenlängenband, um das natürliche Leuchten des Nachthimmels zu erkennen. Die Kernproduktlinien von SUI basieren auf PIN- und Avalanche-Fotodioden und Fotodiodenarrays aus Standard-InGaAs.

Was ist InGaAs mit „erweiterter Wellenlänge“?

Standard-InGaAs hat eine langwellige Grenze von 1,7 μm. Viele Anwendungen erfordern die Detektion von Licht mit längeren Wellenlängen. Ein wichtiges Beispiel ist die Fähigkeit, den Feuchtigkeitsgehalt in landwirtschaftlichen Produkten zu messen, indem die Wasseraufnahme bei 1,9 μm gemessen wird. Ein weiteres Beispiel ist Light Detection and Ranging (LiDAR), das in Flugzeugen zur Erkennung klarer Luftturbulenzen verwendet wird. LiDAR-Systeme verwenden häufig Laser, die Licht mit einer Wellenlänge von 2,05 μm emittieren. InxGa1-xAs mit längerem Cutoff wird „InGaAs mit erweiterter Wellenlänge“ genannt.

Es scheint, als müsste man der Mischung nur etwas mehr InAs hinzufügen, aber es ist nicht so einfach. Dies erhöht die Gitterkonstante des Dünnfilms, was eine Fehlanpassung mit dem Substrat verursacht und somit die Qualität des Dünnfilms verringert. SUI hat viel Arbeit in das Erlernen des Anbaus hochwertiger InGaAs mit erweiterter Wellenlänge gesteckt, und dies spiegelt sich in den Produktangeboten wider. Die Ergebnisse unserer Bemühungen sind in Abbildung 2 zusammengefasst, die die Quanteneffizienz von Standard-InGaAs in Rot zusammen mit der Quanteneffizienz von zwei Legierungen mit erweiterter Wellenlänge, X =0,74 (blau) und X =0,82 (grün), zeigt. Die spektrale Empfindlichkeit einer Short-Cutoff-Variante bei 1,45 μm ist ebenfalls gezeigt. Wie wir gerne sagen:„InxGa1-xAs beginnt dort, wo Silizium aufhört.“

Dieser Artikel wurde von Ingenieuren bei Sensors Unlimited - einem Teil von Collins Aerospace (Princeton, NJ) - verfasst. Weitere Informationen finden Sie unter hier .