InGaAs傳感器

InGaAs傳感器用于物理和生命科學中需要在900-1700 nm波長范圍內具有高靈敏度的應用，稱為短波紅外(SWIR)。由于材料成分的變化，一些 InGaAs 傳感器能夠測量高達 2500 nm 的波長。

雖然硅基CCD相機在紫外至近紅外范圍內具有出色的靈敏度，但硅的帶隙特性使這些CCD在1100 nm以上無法獲得足夠的靈敏度。然而，InGaAs相機具有較低的帶隙，使這種材料成為短波紅外(SWIR)區域應用的首選技術。

InGaAs焦平面陣列由二維光電二極管陣列組成。該陣列由磷化銦 (InP) 襯底、InGaAs 吸收層和超薄 InP 帽組成，該電容已通過銦凸塊鍵合到讀出集成電路 (ROIC)。圖 1 中顯示了該圖。

InGaAs二維陣列通過收集光子產生的電荷來檢測SWIR入射光。ROIC為收集到的電荷提供時鐘并將其轉換為電壓，將信號傳輸到片外電子設備，用于創建圖像。

圖 1：典型 InGaAs 傳感器不同層的示意圖。頂層(藍色)由抗反射涂層組成，以最大限度地提高光子通量。下一層(綠色)是InP襯底，它連接到下面的InGaAs吸收層(橙色)，然后是超薄的InP帽(黃色)。然后將該蓋子(黃色列)與讀出集成電路(灰色)粘合到相機前置放大器(黃色長方體)連接的讀出集成電路(灰色)上。

局限性

InGaAs相機的最大限制是它們的噪音水平。材料的較低帶隙也會產生較高的暗電流(熱產生的信號)。因此，InGaAs相機需要深度冷卻，通過盡可能降低暗噪聲來增加信噪比。

這可以通過熱電冷卻或低溫冷卻來實現，具體取決于應用要求。傳感器位于密封真空密封室中，以確保傳感器與外部環境的低熱耦合，并防止傳感器上殘留氣體冷凝。最高質量的真空室可在攝像機的整個生命周期內實現免維護冷卻。圖2顯示了暗電荷如何隨著溫度的降低而減少。

圖 2：暗噪聲與溫度之間的關系，表明隨著溫度的降低，每秒每像素的電子數會減少。

另一個限制是像素缺陷。由于InGaAs傳感器制造的復雜性，缺陷像素是不可避免的，但是可以通過在數據采集軟件中使用缺陷校正算法來校正這些像素。

固定模式噪聲也是一個問題，由增益或響應變化引起。在典型的InGaAs焦平面陣列中，每個像素列都連接到一個單獨的前置放大器進行讀出，從而產生來自任何增益/響應變化的固定模式噪聲。然而，在先進的InGaAs相機中，這是可以完全減去的。

總結

InGaAs傳感器由于其較低的帶隙而針對SWIR范圍的檢測進行了優化。這些傳感器由2D光電二極管陣列組成，該陣列由InP亞態、InGaAs吸收層和超薄InP帽組成。

SWIR波長在多種應用中是必不可少的，例如，在生命科學中，該波長范圍很容易深入到體內組織中。對于工業應用，InGaAs相機對于濕度測量、表面薄膜分布和材料分離至關重要;所有這些都依賴于SWIR范圍內的光子檢測。

由于材料的帶隙較低，InGaAs相機容易受到較高暗噪聲的影響。然而，通過深度冷卻相機來盡可能減少暗噪點，可以解決這個問題。另一個限制是像素缺陷;但是，這可以通過在數據采集軟件中使用缺陷校正算法來糾正。

審核編輯 黃宇