インジウムガリウムヒ素（InGaAs）がSWIRセンシングをどのように改善するか

インジウムガリウム砒素（InGaAs）センサーの開発により、短波長赤外線範囲（波長0.9〜1.7ミクロン）でのセンシングが実用化されました。 CollinsAerospaceの一部であるSensorsUnlimited、Inc.は、InGaAs 1次元線形アレイ、2次元焦点面アレイカメラ、およびSWIRシステムの製造を専門としています。しかし、なぜSWIRを使用するのでしょうか？

まず、基本的な事実：SWIRバンドの光は人間の目には見えません。可視スペクトルは、0.4ミクロン（青、目にはほぼ紫外線）の波長から0.7ミクロン（深紅）まで広がります。より長い波長は、InGaAsなどの専用センサーでのみ確認できます。短波長赤外領域の光は目には見えませんが、この光は可視波長と同じように物体と相互作用します。つまり、SWIRライトは反射光です。可視光のようにオブジェクトに跳ね返ります。

その反射性の結果として、SWIRライトはその画像に影とコントラストを持っています。 InGaAsカメラからの画像は、解像度と詳細において白黒の可視画像に匹敵します。これにより、オブジェクトを簡単に認識できるようになり、SWIRの戦術上の利点の1つ、つまりオブジェクトまたは個人の識別が可能になります。これはInGaAsを面白くしますが、何がそれを有用にするのでしょうか？

InGaAsが役立つ理由

InGaAsセンサーは、文字通り個々の光子を数えることで、非常に高感度にすることができます。数千または数百万の小さなポイントセンサーまたはセンサーピクセルを備えた焦点面アレイとして構築された場合、SWIRカメラは非常に暗い条件で動作します。暗視ゴーグルは数十年前から存在しており、反射した可視星光またはその他の周囲光を、いわゆるイメージインテンシフィケーション（I-Squared）チューブで感知および増幅することによって動作します。このテクノロジーは、直視型暗視ゴーグルに適しています。ただし、画像を遠隔地（インテリジェンスセンターなど）に送信する必要がある場合、信頼性と感度の制限を導入しない実用的な方法はありません（I2CCDなど）。 SUIのすべてのSWIRセンサーは光を電気信号に変換するため、本質的に保管または送信に適しています。

夜間にSWIRを使用することには、もう1つの大きな利点があります。夜空の放射と呼ばれる大気現象は、星の光の5〜7倍の照明を放出し、そのほぼすべてがSWIR波長にあります。 SWIRカメラとこの夜の輝き（ナイトグローと呼ばれることもあります）を使用すると、月のない夜にオブジェクトを非常に鮮明に「見る」ことができ、他の画像技術では不可能なように、これらの画像をネットワーク間で共有できます。

しかし、短波赤外線範囲で動作する他のカメラはありませんか？はい。テルル化水銀カドミウム（Hg-CdTe）やアンチモン化インジウム（InSb）などの材料で構成されたセンサーは、SWIR帯域で非常に感度が高くなる可能性があります。ただし、信号対雑音比を使用可能なレベルまで上げるには、これらのカメラを極低温で冷却する必要があります。対照的に、InGaAsを搭載したカメラを使用すると、室温でも同様の感度を実現できます。

基本的に、InGaAsカメラは小型で消費電力が非常に少ない場合がありますが、大きな結果が得られます。 Sensors Unlimited InGaAsカメラは、小さな1.25"×1.25"×1.10"パッケージでVGA解像度を提供し、定常状態でわずか1.5Wの消費電力を提供します。2"×2 "×2.43"パッケージでHD（1メガピクセル）解像度も提供します。定常状態での消費電力は3.0W以下です。

SWIRおよび熱画像

サーマルイメージャーは、優れた検出能力を備えた別のクラスのカメラです。これらのイメージャは、多くのアプリケーションでSWIRイメージングを補完します。サーマルイメージャーは涼しい背景に対して暖かい物体の存在を検出できますが、SWIRイメージャーは認識と識別、およびコントラストと影による奥行き知覚を提供できます。

ガラス越しの画像

最後に、他のテクノロジーとは比べものにならないSWIRイメージングの主な利点の1つは、ガラス越しにイメージングできることです。これらのカメラは、最も要求の厳しいアプリケーションを除くすべてのアプリケーションに、従来の費用効果の高い可視カメラレンズを使用できます。特別な高価な光学部品や環境硬化型ハウジングはほとんど不要であり、さまざまな用途や産業で利用できます。これにより、SWIRカメラを保護ガラス窓の後ろに取り付けることもでき、危険な環境にカメラシステムを配置する際の柔軟性が高まります。

では、なぜSWIRなのですか？

• 高感度

• 高解像度

• 夜光（夜空の輝き）

• 昼から夜へのイメージング

• 秘密の照明

• 秘密のレーザーとビーコンを見る

• 極低温冷却は必要ありません

• 従来の低コストの可視スペクトルレンズ

• 小さいサイズ

• 低電力

InGaAsとは何ですか？

InGaAs、またはインジウムガリウム砒素は、ガリウム砒素とインジウム砒素の合金です。より一般的な意味では、それは、ヒ化インジウム（InAs）、ヒ化ガリウム（GaAs）、リン化インジウム（InP）、およびリン化ガリウム（GaP）の合金で構成されるInGaAsP四元系に属します。ガリウムとインジウムは周期表のIII族に属し、ヒ素とリンはV族に属するため、これらの二元材料とその合金はすべてIII-V化合物半導体です。

なぜすべての問題を解決するのですか？

半導体の電気的および光学的特性は、そのエネルギーバンドギャップと、バンドギャップが「直接」か「間接」かによって大きく異なります。 InGaAsP四元系の4つのバイナリメンバーのエネルギーバンドギャップは、0.33 eV（InAs）から2.25 eV（GaP）の範囲であり、その間にInP（1.29 eV）とGaAs（1.43 eV）があります。 SUIでは、光検出器に重点を置いているため、半導体の光学特性に最も重点を置いています。半導体は、バンドギャップよりも大きい光子エネルギー、または言い換えると、バンドギャップに関連するカットオフ波長よりも短い波長の光のみを検出します。この「長波長カットオフ」は、InAsで3.75μm、GaPで0.55μm、InPが0.96μm、GaAsが0.87μmになります。

2つ以上の2成分化合物を混合することにより、得られる3成分および4成分半導体の特性を中間値に調整できます。課題は、エネルギーバンドギャップが合金組成に依存するだけでなく、結果として生じる格子定数にも依存することです。 4つのバイナリメンバーの場合、格子定数は5.4505Å（GaP）から6.0585Å（InAs）の範囲で、GaAsは5.6534Å、InPは5.8688Åです。 InGaAsPファミリーの4つの三元合金の格子定数と長波長カットオフの関係を図2に示します。

InGaAsに戻りましょう

InAs / GaAs合金はInxGa1-xAsと呼ばれ、xはInAsの比率、1-xはGaAsの比率です。これらの合金の格子定数と長波長カットオフは、図1に赤い線で示されています。課題は、InxGa1-xAsの薄膜をさまざまな手法で作成できる一方で、薄膜を保持するために基板が必要になることです。映画。薄膜と基板の格子定数が同じでない場合、薄膜の特性が大幅に低下します。

多くの理由から、Inx-Ga1-xAsの最も便利な基板はInPです。直径100mmの高品質のInP基板が利用可能です。 InxGa1-xAsが53％のInAsは、InPと同じ格子定数を持ち、その組み合わせにより非常に高品質の薄膜が得られるため、「x」または「1-x」の値に注意を払わずに「標準InGaAs」と呼ばれることがよくあります。フィルム。

標準のInGaAsの長波長カットオフは1.7μmです。これは、信号の分散が最も少ない光の波長に敏感であり、グラスファイバー（1.3μmおよび1.55μm）を最も下に透過するため、「アイセーフ」レーザー（1.4μmより長い波長）を検出することを意味します。夜空の自然光を検出するのに最適な波長帯です。 SUIのコア製品ラインは、PINとアバランシェフォトダイオード、および標準のInGaAsから作られたフォトダイオードアレイに基づいています。

「拡張波長」InGaAsとは何ですか？

標準のInGaAsの長波長カットオフは1.7μmです。多くのアプリケーションでは、より長い波長の光を検出する必要があります。重要な例は、1.9μmでの吸水率を測定することによって農産物の水分含有量を測定する機能です。もう1つの例は、晴天乱気流を検出するために飛行機で使用される光検出および測距（LiDAR）です。 LiDARシステムは、2.05μmの波長の光を放射するレーザーを使用することがよくあります。カットオフが長いInxGa1-xAsは、「拡張波長InGaAs」と呼ばれます。

ミックスにもう少しInAを追加するだけのようですが、それほど簡単ではありません。これにより、薄膜の格子定数が増加し、基板との不整合が生じ、薄膜の品質が低下します。 SUIは、高品質の長波長InGaAsを成長させるための学習に多大な労力を費やしており、これは製品の提供に反映されています。私たちの取り組みの結果を図2にまとめます。この図は、標準のInGaAsの量子効率を赤で示し、2つの長波長合金X =0.74（青）とX =0.82（緑）の量子効率を示しています。 1.45μmバリアントでのショートカットのスペクトル応答も示されています。私たちが言いたいように、「InxGa1-xAsはシリコンが離れたところから始まります。」

この記事は、Sensors Unlimited-Collins Aerospace（Princeton、NJ）の一部のエンジニアによって書かれました。詳細については、をご覧ください。 ここ 。