Como Arseneto de Índio-Gálio (InGaAs) Aprimora Sensoriamento Infravermelho de Onda Curta (SWIR)

Sensoriamento na faixa do infravermelho de onda curta (comprimentos de onda de 0,9 a 1,7 mícrons) tornou-se prático pelo desenvolvimento de sensores de Arseneto de Índio-Gálio (InGaAs). A Sensors Unlimited, Inc., parte da Collins Aerospace, especializa-se na fabricação de arrays lineares unidimensionais de InGaAs, câmeras de array de plano focal bidimensional e sistemas SWIR. Mas por que usar SWIR?

Luz SWIR: Não Visível, Mas Refletiva

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

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

O Que Torna InGaAs Útil?

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

Usar SWIR à noite tem outra grande vantagem. Um fenômeno atmosférico chamado radiância do céu noturno emite cinco a sete vezes mais iluminação que a luz estelar, quase toda na banda SWIR. Com uma câmera SWIR e esta radiância noturna — frequentemente chamada de brilho noturno — podemos "ver" objetos com grande clareza em noites sem lua e compartilhar estas imagens através de redes como nenhuma outra tecnologia de imagem pode fazer.

Mas não existem outras câmeras que operam na faixa do infravermelho de onda curta? Sim. Sensores construídos com materiais como telureto de mercúrio-cádmio (Hg-CdTe) ou antimoneto de índio (InSb) podem ser muito sensíveis na banda SWIR. No entanto, para aumentar sua razão sinal-ruído a níveis utilizáveis, estas câmeras devem ser criogenicamente resfriadas. Em contraste gritante, sensibilidade similar pode ser alcançada em temperaturas ambiente com uma câmera equipada com InGaAs.

Essencialmente, câmeras InGaAs podem ser pequenas e usar muito pouca energia, mas dar grandes resultados. Câmeras InGaAs da Sensors Unlimited oferecem resolução VGA em um minúsculo pacote de 1,25" × 1,25" × 1,10" e apenas 1,5W de consumo em estado estacionário. Também oferecem resolução HD (1 Megapixel) em pacote de 2" × 2" × 2,43" com ≤ 3,0W de consumo em estado estacionário.

SWIR e Imageamento Térmico

Imageadores térmicos são outra classe de câmera com excelentes habilidades de detecção. Estes imageadores complementam o imageamento SWIR em muitas aplicações. Enquanto imageadores térmicos podem detectar a presença de um objeto quente contra fundo frio, um imageador SWIR pode fornecer reconhecimento e identificação, bem como percepção de profundidade com contraste e sombras.

Imageamento Através de Vidro

Finalmente, um grande benefício do imageamento SWIR inigualável por outras tecnologias é a capacidade de imaginar através de vidro. Estas câmeras podem usar lentes de câmera visível convencionais e custo-efetivas para todas, exceto as aplicações mais exigentes. Ópticas especiais caras ou invólucros endurecidos ambientalmente são desnecessários na maioria dos casos, 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 protetor, proporcionando flexibilidade extra ao posicionar o sistema de câmera em ambiente perigoso.

Resumo: Por Que SWIR?

• Alta sensibilidade
• Alta resolução
• Brilho noturno (radiância do céu noturno)
• Imageamento dia-para-noite
• Iluminação encoberta
• Ver lasers e faróis encobertos
• Sem resfriamento criogênico necessário
• Lentes de espectro visível convencionais, baixo custo
• Pequeno tamanho
• Baixa potência

O Que é InGaAs?

InGaAs, ou arseneto de índio-gálio, é uma liga de arseneto de gálio e arseneto de índio. Em 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 gálio e índio pertencem ao Grupo III da Tabela Periódica, e arsênio e fósforo pertencem ao Grupo V, estes materiais binários e suas ligas são todos semicondutores compostos III-V.

Por Que Toda Essa Complexidade?

Em grande medida, as propriedades elétricas e ópticas de um semicondutor dependem de sua lacuna de energia (bandgap) e se a lacuna é "direta" ou "indireta". As lacunas 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 fotodetectores, então nos importamos mais com propriedades ópticas de semicondutores. Um semicondutor só detectará luz com energia de fóton maior que a lacuna, ou de outra forma, com comprimento de onda mais curto que o comprimento de onda de corte associado à lacuna. Este "corte de comprimento de onda longo" resulta em 3,75 µm para InAs e 0,55 µm para GaP, com InP em 0,96 µm e GaAs em 0,87 µm.

Misturando dois ou mais compostos binários, as propriedades dos semicondutores ternários e quaternários resultantes podem ser ajustadas para valores intermediários. O desafio é que não só a lacuna 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 constante de rede e corte de comprimento de onda longo das 4 ligas ternárias na família InGaAsP é mostrada na Figura 2.

Voltando 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 cortes de comprimento de onda longo destas ligas são representadas pelas linhas vermelhas na Figura 1. O desafio é que, embora seja possível fazer filmes finos de InxGa1-xAs por várias técnicas, um substrato é necessário para sustentar o filme fino. 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 InP. 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 notar os valores de "x" ou "1-x" porque tem a mesma constante de rede que InP e portanto a combinação leva a filmes finos de altíssima qualidade.

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

O Que é InGaAs de "Comprimento de Onda Estendido"?

InGaAs padrão tem corte de comprimento de onda longo de 1,7 µm. Muitas aplicações requerem detecção de luz com comprimentos de onda mais longos. Um exemplo importante é a capacidade de medir teor de umidade em produtos agrícolas medindo absorção de água a 1,9 µm. Outro exemplo é detecção e alcance por luz (LiDAR), usado em aviões para detectar turbulência de ar claro. Sistemas LiDAR frequentemente usam lasers que emitem luz com comprimento de onda de 2,05 µm. InxGa1-xAs com corte mais longo é chamado de "InGaAs de comprimento de onda estendido".

Parece que tudo que se precisa é adicionar um pouco mais de InAs à mistura, mas não é tão fácil. Isso aumenta a constante de rede do filme fino, causando descompasso com o substrato, e assim reduz a qualidade do filme fino. A SUI dedicou muito trabalho a aprender a crescer InGaAs de comprimento de onda estendido de alta qualidade, e isso reflete nas ofertas de produtos. Os resultados de nossos esforços são resumidos na Figura 2, que mostra a eficiência quântica do 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 uma variante de corte curto em 1,45 µm também é mostrada. Como gostamos de dizer, "InxGa1-xAs começa onde o silício termina."