Bagaimana Indium Gallium Arsenide (InGaAs) Meningkatkan Sensing Inframerah Pendek (SWIR)

Sensing dalam rentang inframerah pendek (panjang gelombang dari 0,9 hingga 1,7 mikron) telah menjadi praktis dengan perkembangan sensor Indium Gallium Arsenide (InGaAs). Sensors Unlimited, Inc., bagian dari Collins Aerospace, spesialis dalam manufaktur array linear satu dimensi InGaAs, kamera focal plane array dua dimensi, dan sistem SWIR. Tapi mengapa menggunakan SWIR?

Pertama, fakta dasar: cahaya dalam band SWIR tidak terlihat oleh mata manusia. Spektrum visibel berkisar dari panjang gelombang 0,4 mikron (biru, hampir ultraviolet bagi mata) hingga 0,7 mikron (merah dalam). Panjang gelombang yang lebih panjang hanya dapat dilihat oleh sensor khusus, seperti InGaAs. Meskipun cahaya di daerah inframerah pendek tidak terlihat oleh mata, cahaya ini berinteraksi dengan objek dengan cara yang mirip dengan panjang gelombang visibel. Artinya, cahaya SWIR adalah cahaya refleksif; ia memantul dari objek seperti cahaya visibel.

Akibat sifat refleksifnya, cahaya SWIR memiliki bayangan dan kontras dalam citranya. Citra dari kamera InGaAs serupa dengan citra hitam-putih visibel dalam resolusi dan detail. Ini membuat objek mudah dikenali dan menghasilkan salah satu keuntungan taktis dari SWIR, yaitu identifikasi objek atau individu. Ini membuat InGaAs menarik, tetapi apa yang membuatnya berguna?

Apa yang Membuat InGaAs Berguna?

Sensor InGaAs dapat dibuat sangat sensitif, secara harfiah menghitung foton individu. Saat dibangun sebagai focal plane array – dengan ribuan atau jutaan titik sensor kecil, atau piksel sensor – kamera SWIR akan bekerja dalam kondisi sangat gelap. Kacamata penglihatan malam telah ada selama beberapa dekade dan bekerja dengan merasakan dan memperkuat cahaya bintang terpantulan, atau cahaya ambient lainnya, dalam yang disebut tab intensifikasi citra (I-Squared). Teknologi ini telah bekerja dengan baik untuk kacamata penglihatan malam pandangan langsung. Namun, ketika citra perlu dikirim ke lokasi jarak jauh (pusat intelijen, misalnya), tidak ada metode praktis yang tidak memperkenalkan keterbatasan keandalan dan sensitivitas (misalnya I2CCD). Karena semua sensor SWIR SUI mengubah cahaya menjadi sinyal listrik, mereka secara inheren cocok untuk penyimpanan atau transmisi.

Menggunakan SWIR di malam hari memiliki keuntungan besar lainnya. Fenomena atmosfer yang disebut radiasi langit malam memancarkan penerangan lima hingga tujuh kali lebih banyak dari cahaya bintang, hampir semuanya di panjang gelombang SWIR. Dengan kamera SWIR dan radiasi malam ini – sering disebut sinar malam – kita dapat “melihat” objek dengan kejelasan yang luar biasa pada malam tanpa bulan dan membagikan citra ini melalui jaringan seperti yang tidak dapat dilakukan oleh teknologi citra lain.

Tapi tidakkah ada kamera lain yang bekerja dalam rentang inframerah pendek? Ya. Sensor yang dibuat dari bahan seperti merkuri kadmium tellurida (Hg-CdTe) atau indium antimonida (InSb) dapat sangat sensitif dalam band SWIR. Namun, untuk meningkatkan rasio sinyal-kebisingan ke tingkat yang dapat digunakan, kamera ini harus didinginkan kriogenik. Di sisi lain, sensitivitas yang serupa dapat dicapai pada suhu kamar dengan kamera yang dilengkapi InGaAs.

Pada dasarnya, kamera InGaAs dapat kecil dan menggunakan sangat sedikit daya, tetapi memberikan hasil yang besar. Kamera InGaAs Sensors Unlimited menawarkan resolusi VGA dalam paket kecil 1,25" × 1,25" × 1,10" dan daya tarik 1,5W pada keadaan stabil. Kami juga menawarkan resolusi HD (1 Megapiksel) dalam paket 2" × 2" × 2,43" dengan ≤ 3,0W daya tarik pada keadaan stabil.

SWIR dan Citra Termal

Imager termal adalah kelas kamera lain dengan kemampuan deteksi yang luar biasa. Imager ini melengkapi citra SWIR dalam banyak aplikasi. Sementara imager termal dapat mendeteksi keberadaan objek hangat terhadap latar belakang yang sejuk, imager SWIR dapat memberikan pengenalan dan identifikasi serta persepsi kedalaman dengan kontras dan bayangan.

Citra Melalui Kaca

Terakhir, satu manfaat besar dari citra SWIR yang tidak ada bandingannya dengan teknologi lain adalah kemampuan untuk citra melalui kaca. Kamera ini dapat menggunakan lensa kamera visibel konvensional dan hemat biaya untuk semua aplikasi kecuali yang paling menuntut. Optik khusus yang mahal atau perapian yang tahan lingkungan sebagian besar tidak diperlukan, sehingga tersedia untuk berbagai aplikasi dan industri. Ini juga memungkinkan kamera SWIR dipasang di balik jendela kaca pelindung, memberikan fleksibilitas ekstra dalam menempatkan sistem kamera di lingkungan berbahaya.

Jadi, Mengapa SWIR?

• Sensitivitas tinggi

• Resolusi tinggi

• Sinar malam (radiasi langit malam)

• Citra siang hingga malam

• Iluminasi rahasia

• Lihat laser dan bakti rahasia

• Tidak diperlukan pendinginan kriogenik

• Lensa spektrum visibel konvensional dan berbiaya rendah

• Ukuran kecil

• Daya rendah

Apa Itu InGaAs?

InGaAs, atau indium gallium arsenida, adalah logam dari gallium arsenida dan indium arsenida. Dalam arti yang lebih luas, ia termasuk dalam sistem kuaternary InGaAsP yang terdiri dari logam indium arsenida (InAs), gallium arsenida (GaAs), indium fosida (InP), dan gallium fosida (GaP). Karena galium dan indium termasuk Grup III Tabel Periodik, dan arsen serta fosfor termasuk Grup V, bahan biner ini dan logamnya semuanya adalah semikonduktor kompak III-V.

Mengapa Melewati Semua Kesulitan Ini?

Secara besar, properti listrik dan optik semikonduktor bergantung pada bandgap energi dan apakah bandgap tersebut “langsung” atau “tidak langsung.” Bandgap energi dari empat anggota biner sistem kuaternary 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 photodetektor, jadi kami paling peduli dengan properti optik semikonduktor. Semikonduktor hanya akan mendeteksi cahaya dengan energi foton yang lebih besar dari bandgap, atau dengan kata lain, dengan panjang gelombang yang lebih pendek dari panjang gelombang pemotongan yang terkait dengan bandgap. “Pemotongan panjang gelombang” ini menghasilkan 3,75 μm untuk InAs dan 0,55 μm untuk GaP dengan InP pada 0,96 μm dan GaAs pada 0,87 μm.

Dencampuran dua atau lebih dari senyawa biner, properti semikonduktor ternari dan kuaternary yang dihasilkan dapat disesuaikan ke nilai tengah. Tantangannya adalah tidak hanya bandgap energi yang bergantung pada komposisi logam, tetapi juga konstanta jaringan yang dihasilkan. Untuk empat anggota biner kami, konstanta jaringan berkisar dari 5,4505 Å (GaP) hingga 6,0585 Å (InAs) dengan GaAs pada 5,6534 Å dan InP pada 5,8688 Å. Hubungan antara konstanta jaringan dan pemotongan panjang gelombang dari 4 logam ternari dalam keluarga InGaAsP ditunjukkan dalam Gambar 2.

Kembali ke InGaAs

Logam InAs/GaAs disebut sebagai InxGa1-xAs di mana x adalah proporsi InAs dan 1-x adalah proporsi GaAs. Konstanta jaringan dan pemotongan panjang gelombang dari logam ini digambarkan sebagai garis merah dalam Gambar 1. Tantangannya adalah sementara memungkinkan untuk membuat tipis film InxGa1-xAs dengan sejumlah teknik, substrat diperlukan untuk menahan tipis film. Jika tipis film dan substrat tidak memiliki konstanta jaringan yang sama, maka properti tipis film akan sangat menurun.

Dari banyak alasan, substrat yang paling nyaman untuk InxGa1-xAs adalah InP. Substrat InP berkualitas tinggi tersedia dengan diameter hingga 100 mm. InxGa1-xAs dengan 53% InAs sering disebut “InGaAs standar” tanpa mencatat nilai “x” atau “1-x” karena ia memiliki konstanta jaringan yang sama dengan InP dan oleh karena itu kombinasi ini menghasilkan tipis film berkualitas sangat tinggi.

InGaAs standar memiliki pemotongan panjang gelombang 1,7 μm. Ini berarti ia sensitif terhadap panjang gelombang cahaya yang menderita dispersi sinyal paling sedikit dan ditransmisikan sejauh melalui serat kaca (1,3 μm dan 1,55 μm), sehingga mendeteksi laser “aman mata” (panjang gelombang lebih dari 1,4 μm). Ini adalah band panjang gelombang optimum untuk mendeteksi sinar alami langit malam. Garis produk inti SUI didasarkan pada fotodioda PIN dan avalanche serta array fotodioda yang dibuat dari InGaAs standar.

Apa Itu “Extended Wavelength” InGaAs?

InGaAs standar memiliki pemotongan panjang gelombang 1,7 μm. Banyak aplikasi memerlukan deteksi cahaya dengan panjang gelombang yang lebih panjang. Contoh penting adalah kemampuan untuk mengukur kadar kelembahan dalam produk pertanian dengan mengukur penyerapan air pada 1,9 μm. Contoh lain adalah deteksi dan jangkauan cahaya (LiDAR), yang digunakan dalam pesawat untuk mendeteksi turbulensi udara jernih. Sistem LiDAR sering menggunakan laser yang memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 2,05 μm. InxGa1-xAs dengan pemotongan yang lebih panjang disebut “InGaAs panjang gelombang diperluas.”

Seolah-olah semua yang harus dilakukan adalah menambahkan sedikit lebih banyak InAs ke dalam campuran, tetapi tidak begitu mudah. Ini meningkatkan konstanta jaringan tipis film, yang menyebabkan ketidaksesuaian dengan substrat, dan oleh karena itu mengurangi kualitas tipis film. SUI telah melakukan banyak pekerjaan untuk belajar menumbuhkan InGaAs panjang gelombang diperluas berkualitas tinggi, dan ini tercermin dalam tawaran produknya. Hasil upaya kami diringkas dalam Gambar 2, yang menunjukkan efisiensi kuantum InGaAs standar dalam merah bersama dengan efisiensi kuantum dua logam panjang gelombang diperluas, X=0,74 (biru) dan X=0,82 (hijau). Respons spektral varian pemotongan pendek pada 1,45 μm juga ditampilkan. Seperti yang kami sukai katakan, “InxGa1-xAs dimulai di mana silikon berakhir.”

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