인듐 갈륨 비소(InGaAs)가 SWIR 감지를 개선하는 방법

InGaAs(Indium Gallium Arsenide) 센서의 개발로 단파장 적외선 범위(파장 0.9~1.7미크론)에서의 감지가 가능해졌습니다. Collins Aerospace의 일부인 Sensors Unlimited, Inc.는 InGaAs 1차원 선형 어레이, 2차원 초점면 어레이 카메라 및 SWIR 시스템 제조를 전문으로 합니다. 그런데 왜 SWIR을 사용합니까?

첫째, 기본적인 사실:SWIR 대역의 빛은 사람의 눈에는 보이지 않습니다. 가시광선 스펙트럼은 0.4미크론(파란색, 눈에 거의 자외선)의 파장에서 0.7미크론(진한 적색)까지 확장됩니다. 더 긴 파장은 InGaAs와 같은 전용 센서에서만 볼 수 있습니다. 단파 적외선 영역의 빛은 눈에 보이지 않지만 이 빛은 가시 파장과 유사한 방식으로 물체와 상호 작용합니다. 즉, SWIR 빛은 반사광입니다. 가시광선과 같은 물체에 반사됩니다.

반사 특성의 결과로 SWIR 라이트는 이미지에 그림자와 대비가 있습니다. InGaAs 카메라의 이미지는 해상도와 디테일 면에서 흑백 가시 이미지와 비슷합니다. 이것은 물체를 쉽게 인식할 수 있게 하고 SWIR의 전술적 이점 중 하나, 즉 물체 또는 개별 식별을 생성합니다. 이것은 InGaAs를 흥미롭게 만들지만 무엇이 유용한가요?

InGaAs가 유용한 이유는 무엇입니까?

InGaAs 센서는 문자 그대로 개별 광자를 계산하여 매우 민감하게 만들 수 있습니다. 수천 또는 수백만 개의 작은 포인트 센서 또는 센서 픽셀이 있는 초점면 어레이로 구축된 경우 SWIR 카메라는 매우 어두운 조건에서 작동합니다. 야간 투시경은 수십 년 동안 사용되어 왔으며 이미지 강화(I-제곱) 튜브라고 하는 반사된 가시성 별빛 또는 기타 주변광을 감지하고 증폭하여 작동합니다. 이 기술은 직시 야간 투시경에 적합했습니다. 그러나 이미지를 원격 위치(예:정보 센터)로 전송해야 하는 경우 신뢰성 및 감도 제한(예:I2CCD)을 도입하지 않는 실용적인 방법이 없습니다. SUI의 SWIR 센서는 모두 빛을 전기 신호로 변환하기 때문에 본질적으로 저장 또는 전송에 적합합니다.

야간에 SWIR을 사용하면 또 다른 주요 이점이 있습니다. 밤하늘 복사라고 하는 대기 현상은 별빛보다 5~7배 더 많은 조명을 방출하며 거의 모두 SWIR 파장에 있습니다. SWIR 카메라와 야간광(야광이라고도 함)을 사용하면 달이 없는 밤에 매우 선명하게 물체를 "보고" 다른 이미징 기술이 할 수 없는 것처럼 네트워크를 통해 이러한 이미지를 공유할 수 있습니다.

그러나 단파 적외선 범위에서 작동하는 다른 카메라는 없나요? 예. 수은 카드뮴 텔루라이드(Hg-CdTe) 또는 인듐 안티몬화물(InSb)과 같은 재료로 구성된 센서는 SWIR 대역에서 매우 민감할 수 있습니다. 그러나 신호 대 잡음비를 사용 가능한 수준으로 높이려면 이러한 카메라가 극저온으로 냉각되어야 합니다. 이와는 대조적으로 InGaAs가 장착된 카메라를 사용하면 실온에서 유사한 감도를 얻을 수 있습니다.

기본적으로 InGaAs 카메라는 작고 전력을 거의 사용하지 않지만 큰 결과를 얻을 수 있습니다. Sensors Unlimited InGaAs 카메라는 초소형 1.25" × 1.25" × 1.10" 패키지로 VGA 해상도를 제공하며 정상 상태에서 단 1.5W의 전력 소모를 제공합니다. 또한 2" × 2" × 2.43" 패키지로 HD(1 메가픽셀) 해상도를 제공합니다. 정상 상태에서 ≤ 3.0W 전력 소모.

SWIR 및 열화상 이미지

열화상 카메라는 감지 능력이 뛰어난 또 다른 종류의 카메라입니다. 이 이미저는 많은 응용 분야에서 SWIR 이미징을 보완합니다. 열화상 카메라는 시원한 배경에서 따뜻한 물체의 존재를 감지할 수 있지만 SWIR 이미저는 인식 및 식별은 물론 대비 및 그림자를 통한 깊이 인식을 제공할 수 있습니다.

유리를 통한 이미지

마지막으로, 다른 기술과 비교할 수 없는 SWIR 이미징의 주요 이점 중 하나는 유리를 통해 이미징할 수 있다는 것입니다. 이 카메라는 가장 까다로운 응용 분야를 제외한 모든 분야에 기존의 비용 효율적인 실화상 카메라 렌즈를 사용할 수 있습니다. 특수한 고가의 광학 장치 또는 환경적으로 강화된 하우징은 대부분 불필요하므로 다양한 응용 분야 및 산업에 사용할 수 있습니다. 이를 통해 SWIR 카메라를 보호 유리창 뒤에 장착할 수 있어 위험한 환경에서 카메라 시스템을 배치할 때 추가적인 유연성을 제공합니다.

왜 SWIR인가요?

• 고감도

• 고해상도

• Nightglow(밤하늘 광채)

• 주야간 이미징

• 은밀한 조명

• 은밀한 레이저 및 비콘 보기

• 극저온 냉각 불필요

• 기존의 저렴한 가시 스펙트럼 렌즈

• 작은 크기

• 저전력

InGaAs란 무엇입니까?

InGaAs 또는 인듐 갈륨 비소는 갈륨 비소와 인듐 비소의 합금입니다. 보다 일반적인 의미에서 이것은 인듐 비소(InAs), 갈륨 비소(GaAs), 인듐 인화물(InP) 및 갈륨 인화물(GaP)의 합금으로 구성된 InGaAsP 4차 시스템에 속합니다. 갈륨과 인듐은 주기율표 Ⅲ족에 속하고, 비소와 인은 Ⅴ족에 속하므로 이들 이원 물질과 그 합금은 모두 Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체이다.

왜 모든 문제를 겪고 있습니까?

대체로 반도체의 전기적 및 광학적 특성은 에너지 밴드갭과 밴드갭이 "직접적"인지 "간접적"인지에 따라 달라집니다. InGaAsP 4차 시스템의 4개 이진 멤버의 에너지 밴드갭은 0.33eV(InAs)에서 2.25eV(GaP) 사이이며 InP(1.29eV)와 GaAs(1.43eV)가 그 사이에 있습니다. SUI에서는 광검출기를 강조하기 때문에 반도체의 광학적 특성을 가장 중요하게 생각합니다. 반도체는 밴드갭보다 큰 광자 에너지를 가진 빛만 감지합니다. 즉, 밴드갭과 관련된 차단 파장보다 짧은 파장을 가진 빛만 감지합니다. 이 "장파장 차단"은 InAs의 경우 3.75μm, GaP의 경우 0.55μm, InP는 0.96μm, GaAs는 0.87μm입니다.

두 가지 이상의 이원 화합물을 혼합하여 생성된 삼원 및 사차 반도체의 특성을 중간 값으로 조정할 수 있습니다. 문제는 에너지 밴드갭이 합금 조성에 의존할 뿐만 아니라 결과적인 격자 상수도 영향을 받는다는 것입니다. 4개의 이진 멤버의 경우 격자 상수의 범위는 5.4505Å(GaP)에서 6.0585Å(InAs)이며 GaAs는 5.6534Å이고 InP는 5.8688Å입니다. 격자 상수와 InGaAsP 계열의 4가지 삼원 합금의 장파장 차단 간의 관계는 그림 2에 나와 있습니다.

InGaAs로 돌아가자

InAs/GaAs 합금은 InxGa1-xAs라고 하며, 여기서 x는 InAs의 비율이고 1-x는 GaAs의 비율입니다. 이러한 합금의 격자 상수와 장파장 컷오프는 그림 1에서 빨간색 선으로 표시되어 있습니다. 문제는 InxGa1-xAs의 박막을 여러 기술로 만드는 것이 가능하지만 박막을 유지하기 위해 기판이 필요하다는 것입니다. 영화. 박막과 기판이 동일한 격자 상수를 가지지 않으면 박막의 특성이 심하게 저하됩니다.

많은 이유로 Inx-Ga1-xAs에 가장 편리한 기판은 InP입니다. 고품질 InP 기판은 직경이 100mm까지 사용할 수 있습니다. 53% InAs를 포함하는 InxGa1-xAs는 InP와 동일한 격자 상수를 가지므로 "x" 또는 "1-x" 값을 언급하지 않고 종종 "표준 InGaAs"라고 하며, 따라서 조합이 매우 고품질의 얇은 영화.

표준 InGaAs는 1.7μm의 긴 파장 컷오프를 가지고 있습니다. 이것은 신호 분산이 가장 적고 유리 섬유(1.3μm 및 1.55μm) 아래로 가장 멀리 전송되는 빛의 파장에 민감하므로 "눈에 안전한" 레이저(1.4μm보다 긴 파장)를 감지합니다. 밤하늘의 자연광을 감지하기 위한 최적의 파장대역입니다. SUI의 핵심 제품 라인은 표준 InGaAs로 만든 PIN 및 애벌랜치 포토다이오드 및 포토다이오드 어레이를 기반으로 합니다.

"확장 파장" InGaAs란 무엇입니까?

표준 InGaAs는 1.7μm의 긴 파장 컷오프를 가지고 있습니다. 많은 응용 분야에서 더 긴 파장의 빛을 감지해야 합니다. 중요한 예는 1.9μm에서 수분 흡수를 측정하여 농산물의 수분 함량을 측정하는 기능입니다. 또 다른 예는 비행기에서 맑은 공기의 난기류를 감지하는 데 사용되는 LiDAR(Light Detection and Ranging)입니다. LiDAR 시스템은 종종 2.05μm 파장의 빛을 방출하는 레이저를 사용합니다. 컷오프가 더 긴 InxGa1-xAs를 "확장 파장 InGaAs"라고 합니다.

InAs를 믹스에 조금 더 추가하면 될 것 같지만 그렇게 쉬운 일이 아닙니다. 이는 박막의 격자상수를 증가시켜 기판과의 불일치를 유발하여 박막의 품질을 저하시킨다. SUI는 고품질 확장 파장 InGaAs를 성장시키기 위해 많은 노력을 기울였으며 이는 제품 제공에 반영됩니다. 우리의 노력의 결과는 그림 2에 요약되어 있으며, 빨간색으로 표준 InGaAs의 양자 효율과 X=0.74(파란색) 및 X=0.82(녹색)의 두 확장 파장 합금의 양자 효율을 보여줍니다. 1.45μm 변형에서 단락의 스펙트럼 응답도 표시됩니다. 우리가 말하고 싶은 것처럼 "InxGa1-xAs는 실리콘이 시작되는 지점에서 시작됩니다."

이 기사는 Collins Aerospace(뉴저지주 프린스턴)의 일부인 Sensors Unlimited의 엔지니어가 작성했습니다. 자세한 내용은 을 참조하십시오. 여기 .