Bagaimana Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Meningkatkan Penginderaan SWIR

Penginderaan dalam rentang inframerah gelombang pendek (panjang gelombang dari 0,9 hingga 1,7 mikron) telah dibuat praktis dengan pengembangan sensor Indium Gallium Arsenide (InGaAs). Sensors Unlimited, Inc., bagian dari Collins Aerospace, mengkhususkan diri dalam pembuatan array linier satu dimensi InGaAs, kamera array focalplane dua dimensi, dan sistem SWIR. Tapi kenapa malah menggunakan SWIR?

Pertama, fakta dasar:cahaya di pita SWIR tidak terlihat oleh mata manusia. Spektrum tampak memanjang dari panjang gelombang 0,4 mikron (biru, hampir ultraviolet ke mata) hingga 0,7 mikron (merah tua). Panjang gelombang yang lebih panjang hanya dapat dilihat oleh sensor khusus, seperti InGaAs. Meskipun cahaya di daerah inframerah gelombang pendek tidak terlihat oleh mata, cahaya ini berinteraksi dengan objek dengan cara yang sama seperti panjang gelombang yang terlihat. Artinya, cahaya SWIR adalah cahaya reflektif; itu memantulkan objek seperti cahaya tampak.

Karena sifatnya yang reflektif, cahaya SWIR memiliki bayangan dan kontras dalam citranya. Gambar dari kamera InGaAs sebanding dengan gambar yang terlihat hitam-putih dalam resolusi dan detail. Hal ini membuat objek mudah dikenali dan menghasilkan salah satu keunggulan taktis SWIR, yaitu identifikasi objek atau individu. Ini membuat InGaAs menarik, tapi apa yang membuatnya berguna?

Apa yang Membuat InGaAs Berguna?

Sensor InGaAs dapat dibuat sangat sensitif, secara harfiah menghitung foton individu. Saat dibuat sebagai susunan bidang fokus – dengan ribuan atau jutaan sensor titik kecil, atau piksel sensor – kamera SWIR akan bekerja dalam kondisi yang sangat gelap. Kacamata night vision telah ada selama beberapa dekade dan beroperasi dengan merasakan dan memperkuat pantulan cahaya bintang yang terlihat, atau cahaya sekitar lainnya, dalam apa yang disebut tabung intensifikasi gambar (I-Squared). Teknologi ini telah bekerja dengan baik untuk kacamata night vision pandangan langsung. Tetapi ketika sebuah gambar perlu dikirim ke lokasi yang jauh (pusat intelijen, misalnya), tidak ada metode praktis yang tidak memperkenalkan batasan keandalan dan sensitivitas (misalnya I2CCD). Karena semua sensor SWIR SUI mengubah cahaya menjadi sinyal listrik, sensor ini secara inheren cocok untuk penyimpanan atau transmisi.

Menggunakan SWIR di malam hari memiliki keuntungan besar lainnya. Fenomena atmosfer yang disebut pancaran langit malam memancarkan cahaya lima hingga tujuh kali lebih banyak daripada cahaya bintang, hampir semuanya dalam panjang gelombang SWIR. Dengan kamera SWIR dan cahaya malam ini – sering disebut night-glow – kita dapat “melihat” objek dengan sangat jelas pada malam tanpa bulan dan membagikan gambar ini ke seluruh jaringan yang tidak dapat dilakukan oleh teknologi pencitraan lain.

Tapi bukankah ada kamera lain yang beroperasi dalam jangkauan inframerah gelombang pendek? Ya. Sensor yang dibuat dari bahan seperti merkuri cadmium telluride (Hg-CdTe) atau indium antimonide (InSb) bisa sangat sensitif di pita SWIR. Namun, untuk meningkatkan rasio signal-to-noise ke tingkat yang dapat digunakan, kamera ini harus didinginkan secara kriogenik. Sangat kontras, sensitivitas serupa dapat dicapai pada suhu ruangan dengan kamera yang dilengkapi InGaAs.

Pada dasarnya, kamera InGaAs bisa berukuran kecil dan menggunakan daya yang sangat kecil, tetapi memberikan hasil yang besar. Sensor Kamera InGaAs tak terbatas menawarkan resolusi VGA dalam paket kecil 1,25" × 1,25" × 1,10" dan penarikan daya hanya 1,5W pada kondisi stabil. Kami juga menawarkan resolusi HD (1 Megapiksel) dalam paket 2" × 2" × 2,43" dengan Penarikan daya 3,0W pada kondisi stabil.

SWIR dan Pencitraan Termal

Pencitra termal adalah kamera kelas lain dengan kemampuan deteksi yang sangat baik. Pencitra ini melengkapi pencitraan SWIR di banyak aplikasi. Sementara pencitra termal dapat mendeteksi keberadaan objek hangat dengan latar belakang dingin, pencitra SWIR dapat memberikan pengenalan dan identifikasi serta persepsi kedalaman dengan kontras dan bayangan.

Gambar Melalui Kaca

Terakhir, salah satu manfaat utama pencitraan SWIR yang tak tertandingi oleh teknologi lain adalah kemampuan untuk memotret melalui kaca. Kamera ini dapat menggunakan lensa kamera tampak konvensional dan hemat biaya untuk semua aplikasi kecuali yang paling menuntut. Optik mahal khusus atau housing yang dikeraskan secara lingkungan sebagian besar tidak diperlukan, membuatnya tersedia untuk berbagai aplikasi dan industri. Hal ini juga memungkinkan kamera SWIR dipasang di belakang jendela kaca pelindung, memberikan fleksibilitas ekstra saat memposisikan sistem kamera di lingkungan yang berbahaya.

Jadi, Mengapa SWIR?

• Sensitivitas tinggi

• Resolusi tinggi

• Nightglow (cahaya langit malam)

• Pencitraan siang ke malam

• Penerangan terselubung

• Lihat laser dan suar rahasia

• Tidak diperlukan pendinginan kriogenik

• Lensa spektrum tampak konvensional dan murah

• Ukuran kecil

• Daya rendah

Apa itu InGaAs?

InGaAs, atau indium gallium arsenide, adalah paduan dari gallium arsenide dan indium arsenide. Dalam arti yang lebih umum, itu milik sistem kuaterner InGaAsP yang terdiri dari paduan indium arsenide (InAs), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), dan gallium phosphide (GaP). Karena galium dan indium termasuk dalam Golongan III dari Tabel Periodik, dan arsenik dan fosfor termasuk dalam Golongan V, bahan-bahan biner ini dan paduannya semuanya merupakan semikonduktor senyawa III-V.

Mengapa Harus Mengalami Semua Masalah?

Untuk sebagian besar, sifat listrik dan optik semikonduktor bergantung pada celah pita energinya dan apakah celah pita itu "langsung" atau "tidak langsung." Celah pita energi dari empat anggota biner sistem kuartener InGaAsP berkisar dari 0,33 eV (InAs) hingga 2,25 eV (GaP), dengan InP (1,29 eV) dan GaAs (1,43 eV) berada di antaranya. Di SUI, kami menekankan fotodetektor, jadi kami sangat memperhatikan sifat optik semikonduktor. Semikonduktor hanya akan mendeteksi cahaya dengan energi foton lebih besar dari celah pita, atau dengan kata lain, dengan panjang gelombang lebih pendek dari panjang gelombang cutoff yang terkait dengan celah pita. “Pemutusan panjang gelombang panjang” ini bekerja hingga 3,75 m untuk InAs dan 0,55 m untuk GaP dengan InP pada 0,96 m dan GaAs pada 0,87 m.

Dengan mencampurkan dua atau lebih senyawa biner, sifat-sifat semikonduktor terner dan kuaterner yang dihasilkan dapat disetel ke nilai antara. Tantangannya adalah bahwa celah pita energi tidak hanya bergantung pada komposisi paduan, tetapi juga konstanta kisi yang dihasilkan. Untuk empat anggota biner kami, konstanta kisi berkisar dari 5,4505 (GaP) hingga 6,0585 (InAs) dengan GaAs pada 5,6534 dan InP pada 5,8688 . Hubungan antara konstanta kisi dan cutoff panjang gelombang panjang dari 4 paduan terner dalam keluarga InGaAsP ditunjukkan pada Gambar 2.

Mari Kembali ke InGaAs

Paduan InAs/GaAs disebut sebagai InxGa1-xAs di mana x adalah proporsi InAs dan 1-x adalah proporsi GaAs. Konstanta kisi dan cutoff panjang gelombang panjang dari paduan ini digambarkan sebagai garis merah pada Gambar 1. Tantangannya adalah meskipun memungkinkan untuk membuat film tipis InxGa1-xAs dengan sejumlah teknik, diperlukan substrat untuk menahan lapisan tipis. film. Jika film tipis dan substrat tidak memiliki konstanta kisi yang sama, maka sifat film tipis akan sangat terdegradasi.

Untuk banyak alasan, substrat yang paling nyaman untuk Inx-Ga1-xAs adalah InP. Tersedia substrat InP berkualitas tinggi dengan diameter hingga 100 mm. InxGa1-xAs dengan 53% InAs sering disebut "InGaAs standar" tanpa perlu repot-repot mencatat nilai "x" atau "1-x" karena memiliki konstanta kisi yang sama dengan InP dan oleh karena itu kombinasi tersebut menghasilkan tipis berkualitas sangat tinggi film.

Standar InGaAs memiliki panjang gelombang cutoff 1,7 m. Ini berarti sensitif terhadap panjang gelombang cahaya yang mengalami dispersi sinyal paling sedikit dan mentransmisikan terjauh ke bawah serat kaca (1,3 m dan 1,55 m), oleh karena itu mendeteksi laser "aman-mata" (panjang gelombang lebih panjang dari 1,4 m). Ini adalah pita panjang gelombang optimal untuk mendeteksi cahaya alami langit malam. Lini produk inti SUI didasarkan pada PIN dan fotodioda longsoran serta susunan fotodioda yang dibuat dari InGaAs standar.

Apa itu InGaAs “Panjang Gelombang Diperpanjang”?

Standar InGaAs memiliki panjang gelombang cutoff 1,7 m. Banyak aplikasi memerlukan deteksi cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Contoh penting adalah kemampuan untuk mengukur kadar air dalam produk pertanian dengan mengukur penyerapan air pada 1,9 m. Contoh lain adalah deteksi cahaya dan jangkauan (LiDAR), yang digunakan di pesawat terbang untuk mendeteksi turbulensi udara yang jernih. Sistem LiDAR sering menggunakan laser yang memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 2,05 m. InxGa1-xAs dengan cutoff yang lebih panjang disebut "panjang gelombang InGaAs yang diperpanjang".

Sepertinya yang harus dilakukan hanyalah menambahkan sedikit lebih banyak InAs ke dalam campuran, tetapi itu tidak mudah. Ini meningkatkan konstanta kisi film tipis, yang menyebabkan ketidakcocokan dengan substrat, dan dengan demikian mengurangi kualitas film tipis. SUI telah bekerja keras untuk belajar menumbuhkan InGaAs dengan panjang gelombang diperpanjang berkualitas tinggi, dan ini tercermin dalam penawaran produk. Hasil upaya kami dirangkum dalam Gambar 2, yang menunjukkan efisiensi kuantum InGaAs standar berwarna merah bersama dengan efisiensi kuantum dari dua paduan panjang gelombang yang diperluas, X=0,74 (biru) dan X=0,82 (hijau). Respon spektral dari jalan pintas pada varian 1,45 m juga ditampilkan. Seperti yang ingin kami katakan, “InxGa1-xAs dimulai saat silikon berhenti.”

Artikel ini ditulis oleh para insinyur di Sensors Unlimited - Bagian dari Collins Aerospace (Princeton, NJ). Untuk informasi lebih lanjut, kunjungi di sini .