Como o arseneto de índio e gálio (InGaAs) melhora a detecção de SWIR

A detecção na faixa de infravermelho de ondas curtas (comprimentos de onda de 0,9 a 1,7 mícrons) tornou-se prática pelo desenvolvimento de sensores de arseneto de índio e gálio (InGaAs). A Sensors Unlimited, Inc., parte da Collins Aerospace, é especializada na fabricação de matrizes lineares unidimensionais InGaAs, câmeras de matriz de plano focal bidimensional e sistemas SWIR. Mas por que usar SWIR?

Primeiro, um fato básico:a luz na banda SWIR não é visível ao olho humano. O espectro visível se estende de comprimentos de onda de 0,4 mícron (azul, quase ultravioleta para o olho) a 0,7 mícron (vermelho profundo). Comprimentos de onda mais longos só podem ser vistos por sensores dedicados, como InGaAs. Embora a luz na região do infravermelho de ondas curtas não seja visível ao olho, essa luz interage com os objetos de maneira semelhante aos comprimentos de onda visíveis. Ou seja, a luz SWIR é luz reflexiva; ela ricocheteia em objetos como a luz visível.

Como resultado de sua natureza reflexiva, a luz SWIR tem sombras e contraste em suas imagens. As imagens de uma câmera InGaAs são comparáveis ​​às imagens visíveis em preto e branco em resolução e detalhes. Isso torna os objetos facilmente reconhecíveis e produz uma das vantagens táticas do SWIR, a saber, a identificação do objeto ou do indivíduo. Isso torna o InGaAs interessante, mas o que o torna útil?

O que torna o InGaAs útil?

Os sensores InGaAs podem ser extremamente sensíveis, contando literalmente fótons individuais. Quando construídas como uma matriz de plano focal – com milhares ou milhões de minúsculos sensores pontuais, ou sensores de pixels – as câmeras SWIR funcionarão em condições muito escuras. Os óculos de visão noturna existem há várias décadas e operam detectando e amplificando a luz estelar visível refletida, ou outra luz ambiente, nos chamados tubos de intensificação de imagem (I-Quadrado). Esta tecnologia funcionou bem para óculos de visão noturna de visão direta. Mas quando uma imagem precisa ser enviada para um local remoto (um centro de inteligência, por exemplo), não existe um método prático que não introduza limitações de confiabilidade e sensibilidade (por exemplo, I2CCD). Como todos os sensores SWIR da SUI convertem luz em sinais elétricos, eles são inerentemente adequados para armazenamento ou transmissão.

Usar o SWIR à noite tem outra grande vantagem. Um fenômeno atmosférico chamado radiância do céu noturno emite cinco a sete vezes mais iluminação do que a luz das estrelas, quase toda nos comprimentos de onda SWIR. Com uma câmera SWIR e esse brilho noturno – geralmente chamado de brilho noturno – podemos “ver” objetos com grande clareza em noites sem lua e compartilhar essas imagens em redes como nenhuma outra tecnologia de imagem pode fazer.

Mas não existem outras câmeras que operam na faixa de infravermelho de ondas curtas? Sim. Sensores construídos a partir de materiais como telureto de mercúrio e cádmio (Hg-CdTe) ou antimoneto de índio (InSb) podem ser muito sensíveis na banda SWIR. No entanto, para aumentar sua relação sinal-ruído para níveis utilizáveis, essas câmeras devem ser resfriadas criogenicamente. Em contraste, sensibilidade semelhante pode ser alcançada em temperatura ambiente com uma câmera equipada com InGaAs.

Essencialmente, as câmeras InGaAs podem ser pequenas e usar muito pouca energia, mas oferecem grandes resultados. Sensores As câmeras InGaAs ilimitadas oferecem resolução VGA em um pequeno pacote de 1,25" × 1,25" × 1,10" e apenas 1,5W de consumo de energia em estado estável. Também oferecemos resolução HD (1 Megapixel) em um pacote de 2" × 2" × 2,43" com ≤ consumo de energia de 3,0 W em estado estacionário.

SWIR e imagem térmica

Os termovisores são outra classe de câmeras com excelentes habilidades de detecção. Esses geradores de imagens complementam a geração de imagens SWIR em muitas aplicações. Enquanto os geradores de imagens térmicas podem detectar a presença de um objeto quente contra um fundo frio, um gerador de imagens SWIR pode fornecer reconhecimento e identificação, bem como percepção de profundidade com contraste e sombras.

Imagem através do vidro

Finalmente, um grande benefício da imagem SWIR que é inigualável por outras tecnologias é a capacidade de imagem através do vidro. Essas câmeras podem usar lentes de câmera visíveis convencionais e econômicas para todas as aplicações, exceto as mais exigentes. Ópticas caras especiais ou caixas ambientalmente endurecidas são desnecessárias, tornando-as disponíveis para uma ampla variedade de aplicações e indústrias. Isso também permite que a câmera SWIR seja montada atrás de uma janela de vidro protetora, proporcionando flexibilidade extra ao posicionar o sistema da câmera em um ambiente perigoso.

Então, por que SWIR?

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  Alta sensibilidade
  
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  Alta resolução
  
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  Nightglow (radiância do céu noturno)
  
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  Imagens do dia para a noite
  
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  Iluminação secreta
  
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  Veja lasers e sinalizadores secretos
  
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  Não é necessário resfriamento criogênico
  
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  Lentes convencionais de espectro visível de baixo custo
  
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  Tamanho pequeno
  
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  Baixa potência
  

O que é InGaAs?

InGaAs, ou arseneto de índio e gálio, é uma liga de arseneto de gálio e arseneto de índio. Em um sentido mais geral, pertence ao sistema quaternário InGaAsP que consiste em ligas de arseneto de índio (InAs), arseneto de gálio (GaAs), fosfeto de índio (InP) e fosfeto de gálio (GaP). Como o gálio e o índio pertencem ao Grupo III da Tabela Periódica, e o arsênio e o fósforo pertencem ao Grupo V, esses materiais binários e suas ligas são todos semicondutores compostos III-V.

Por que passar por todos os problemas?

Em grande medida, as propriedades elétricas e ópticas de um semicondutor dependem de seu bandgap de energia e se o bandgap é “direto” ou “indireto”. Os bandgaps de energia dos quatro membros binários do sistema quaternário InGaAsP variam de 0,33 eV (InAs) a 2,25 eV (GaP), com InP (1,29 eV) e GaAs (1,43 eV) no meio. Na SUI, enfatizamos os fotodetectores, por isso nos preocupamos mais com as propriedades ópticas dos semicondutores. Um semicondutor só detectará luz com energia de fótons maior que o bandgap, ou dito de outra forma, com um comprimento de onda menor que o comprimento de onda de corte associado ao bandgap. Este "corte de comprimento de onda longo" funciona para 3,75 μm para InAs e 0,55 μm para GaP com InP em 0,96 μm e GaAs em 0,87 μm.

Ao misturar dois ou mais dos compostos binários, as propriedades dos semicondutores ternários e quaternários resultantes podem ser ajustadas para valores intermediários. O desafio é que não apenas o bandgap de energia depende da composição da liga, mas também a constante de rede resultante. Para nossos quatro membros binários, as constantes de rede variam de 5,4505 Å (GaP) a 6,0585 Å (InAs) com GaAs em 5,6534 Å e InP em 5,8688 Å. A relação entre a constante de rede e o corte de comprimento de onda longo das 4 ligas ternárias da família InGaAsP é mostrada na Figura 2.

Vamos voltar ao InGaAs

A liga InAs/GaAs é referida como InxGa1-xAs onde x é a proporção de InAs e 1-x é a proporção de GaAs. As constantes de rede e os cortes de comprimento de onda longo dessas ligas são representados como as linhas vermelhas na Figura 1. O desafio é que, embora seja possível fazer filmes finos de InxGa1-xAs por várias técnicas, é necessário um substrato para segurar o fino filme. Se o filme fino e o substrato não tiverem a mesma constante de rede, as propriedades do filme fino serão severamente degradadas.

Por muitas razões, o substrato mais conveniente para Inx-Ga1-xAs é o InP. Os substratos InP de alta qualidade estão disponíveis com diâmetros de até 100 mm. InxGa1-xAs com 53% de InAs é frequentemente chamado de “InGaAs padrão” sem se preocupar em observar os valores de “x” ou “1-x” porque tem a mesma constante de rede que o InP e, portanto, a combinação leva a finos de alta qualidade filmes.

O InGaAs padrão tem um corte de comprimento de onda longo de 1,7 μm. Isso significa que é sensível aos comprimentos de onda da luz que sofrem a menor dispersão do sinal e transmitem mais longe em uma fibra de vidro (1,3 μm e 1,55 μm), detectando, portanto, lasers “seguros para os olhos” (comprimentos de onda maiores que 1,4 μm). É a banda de comprimento de onda ideal para detectar o brilho natural do céu noturno. As principais linhas de produtos da SUI são baseadas em fotodiodos PIN e avalanche e matrizes de fotodiodos feitos de InGaAs padrão.

O que é InGaAs de "comprimento de onda estendido"?

O padrão InGaAs tem um corte de comprimento de onda longo de 1,7 μm. Muitas aplicações requerem a detecção de luz com comprimentos de onda mais longos. Um exemplo importante é a capacidade de medir o teor de umidade em produtos agrícolas medindo a absorção de água em 1,9 μm. Outro exemplo é a detecção e alcance de luz (LiDAR), usado em aviões para detectar turbulência no ar. Os sistemas LiDAR geralmente usam lasers que emitem luz com comprimento de onda de 2,05 μm. InxGa1-xAs com um corte mais longo é chamado de “inGaAs de comprimento de onda estendido”.

Parece que bastaria adicionar um pouco mais de InAs à mistura, mas não é tão fácil. Isso aumenta a constante de rede do filme fino, o que causa uma incompatibilidade com o substrato e, portanto, reduz a qualidade do filme fino. A SUI trabalhou muito para aprender a cultivar InGaAs de comprimento de onda estendido de alta qualidade, e isso se reflete nas ofertas de produtos. Os resultados de nossos esforços estão resumidos na Figura 2, que mostra a eficiência quântica de InGaAs padrão em vermelho junto com as eficiências quânticas de duas ligas de comprimento de onda estendido, X=0,74 (azul) e X=0,82 (verde). A resposta espectral de um corte curto na variante de 1,45 μm também é mostrada. Como gostamos de dizer, “InxGa1-xAs começa onde o silício termina”.

Este artigo foi escrito por engenheiros da Sensors Unlimited - uma parte da Collins Aerospace (Princeton, NJ). Para mais informações, visite aqui .