InGaAsが短波赤外（SWIR）センシングをどう強化するか

短波赤外領域（波長0.9〜1.7ミクロン）でのセンシングは、インジウムガリウム砒素（InGaAs）センサーの開発により実用化されました。コリンズ・エアロスペースの一部門であるSensors Unlimited, Inc.は、InGaAs一次元リニアアレイ、二次元焦点面アレイカメラ、SWIRシステムの製造を専門としています。では、なぜSWIRを使うのでしょうか。

SWIR光の基本的性質

まず基本事実：SWIR帯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、目には近紫外）から0.7ミクロン（深い赤）までです。より長い波長は、InGaAsのような専用センサーでのみ見えます。短波赤外領域の光は目に見えませんが、この光は可視波長と同様の方法で物体と相互作用します。つまり、SWIR光は反射光であり、可視光と同様に物体から跳ね返ります。

反射性の結果、SWIR光の画像には影とコントラストがあります。InGaAsカメラからの画像は、解像度とディテールにおいて白黒可視画像と比較可能です。これにより物体を容易に認識でき、SWIRの戦術的利点の一つである、物体や個人の識別が可能になります。これはInGaAsを興味深いものにしますが、何が実用的なのでしょうか。

InGaAsが実用的な理由

InGaAsセンサーは極めて高感度にでき、文字通り個々の光子をカウントできます。焦点面アレイとして構築されると——数千または数百万の微小ポイントセンサー、またはセンサーピクセルで——SWIRカメラは非常に暗い条件下で動作します。ナイトビジョンゴーグルは数十年前からあり、反射可視星光やその他の環境光を感知・増幅するイメージインテンシファイア（I2）管で動作します。この技術はダイレクトビュー型ナイトビジョンゴーグルにはうまく機能してきました。しかし、画像を遠隔地（情報センターなど）に送る必要がある場合、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（例：I2CCD）。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、本質的に保存や伝送に適しています。

夜空輝輝（ナイトグロー）を活用

夜間のSWIR使用にはもう一つの大きな利点があります。ナイトスカイラディアンスと呼ばれる大気現象は、星光の5〜7倍の照度を放出し、そのほぼすべてがSWIR波長帯にあります。SWIRカメラとこのナイトラディアンス（しばしばナイトグローと呼ばれる）を用いると、月明かりのない夜でも物体を高い鮮明度で「見る」ことができ、他のイメージング技術では不可能なネットワーク越しの画像共有が可能です。

冷却不要で小型・低消費電力

SWIR帯で動作する他のカメラはないのでしょうか？あります。水銀カドミウムテルル（Hg-CdTe）やインジウムアンチモン（InSb）のような材料で作られたセンサーは、SWIR帯で非常に高感度になれます。しかし、信号対雑音比を実用レベルまで高めるには、これらのカメラを極低温冷却する必要があります。対照的に、InGaAs搭載カメラでは同等の感度が室温で達成できます。

本質的に、InGaAsカメラは小型で消費電力が非常に少なく、しかし大きな成果を出せます。Sensors UnlimitedのInGaAsカメラは、わずか1.25×1.25×1.10インチのパッケージでVGA解像度、定常状態でわずか1.5Wの消費電力を提供します。また、2×2×2.43インチのパッケージでHD（1メガピクセル）解像度、定常状態で≤3.0Wの消費電力も提供しています。

熱画像との補完関係

サーマルイメージャーは優れた検出能力を持つ別のカメラクラスです。これらは多くの用途でSWIRイメージングを補完します。サーマルイメージャーが冷たい背景に対する温かい物体の存在を検出できるのに対し、SWIRイメージャーは認識と識別、さらにコントラストと影による奥行き知覚を提供できます。

ガラス越しの撮像が可能

最後に、他の技術では真似できないSWIRイメージングの大きな利点は、ガラス越しの撮像が可能なことです。これらのカメラは、最も要求の厳しい用途を除き、従来のコスト効率の良い可視カメラレンズを使用できます。特殊な高価な光学系や環境耐性ハウジングはほぼ不要で、幅広い用途と産業で利用可能です。これにより、SWIRカメラを保護ガラス窓の後ろに設置でき、危険な環境でのカメラシステム配置にさらなる柔軟性を提供します。

なぜSWIRなのか？

• 高感度
• 高解像度
• ナイトグロー（夜空輝輝）
• 昼夜連続撮像
• 秘匿照明
• 秘匿レーザーとビーコンの検知
• 極低温冷却不要
• 従来の低コスト可視スペクトルレンズ
• 小型
• 低消費電力

InGaAsとは何か？

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、インジウム砒素（InAs）、ガリウム砒素（GaAs）、インジウムリン（InP）、ガリウムリン（GaP）の合金からなるInGaAsP四元系に属します。ガリウムとインジウムは周期表の第III族、砒素とリンは第V族に属するため、これらの二元材料とそれらの合金はすべてIII-V族化合物半導体です。

なぜこれほど手間をかけるのか？

半導体の電気的・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」かに大きく依存します。InGaAsP四元系の4つの二元メンバーのエネルギーバンドギャップは、0.33eV（InAs）から2.25eV（GaP）までの範囲で、InP（1.29eV）とGaAs（1.43eV）がその中間にあります。SUIではフォトディテクターを重視しているため、半導体の光学的特性を最も重視します。半導体は、バンドギャップより大きい光子エネルギー、言い換えればバンドギャップに関連するカットオフ波長より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で0.96μm、GaAsで0.87μmとなります。

2つ以上の二元化合物を混合することで、結果として得られる三元および四元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だけでなく、格子定数も合金組成に依存することです。4つの二元メンバーの格子定数は、5.4505Å（GaP）から6.0585Å（InAs）までで、GaAsは5.6534Å、InPは5.8688Åです。InGaAsPファミリーの4つの三元合金における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に戻ろう

InAs/GaAs合金はInxGa1-xAsと呼ばれ、xがInAsの割合、1-xがGaAsの割合です。これらの合金の格子定数と長波長カットオフは図1の赤線で示されています。課題は、InxGa1-xAsの薄膜をいくつかの技術で作れるものの、薄膜を支える基板が必要だということです。薄膜と基板の格子定数が同じでないと、薄膜の特性が著しく劣化します。

多くの理由から、Inx-Ga1-xAsにとって最も便利な基板はInPです。直径100mmまでの高品質InP基板が入手可能です。53% InAsのInxGa1-xAsは、InPと同じ格子定数を持つため、非常に高品質な薄膜が得られることから、単に「標準InGaAs」と呼ばれ、xや1-xの値をわざわざ記さないことが多いです。

標準InGaAsの長波長カットオフは1.7μmです。これは、ガラスファイバー内で最も信号分散が少なく最も遠くまで伝送される光の波長（1.3μmと1.55μm）に感度があり、したがって「眼安全」レーザー（1.4μmより長い波長）を検出するのに最適な波長帯です。夜空の自然な輝きを検出するのにも最適な波長帯です。SUIのコア製品ラインは、標準InGaAsから作られたPINおよびアバランシェフォトダイオードと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？

標準InGaAsの長波長カットオフは1.7μmです。多くの用途で、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での水吸収測定による農産物の水分含有量測定です。もう一つは、飛行機で晴天乱気流を検出するために使用される光検出と測距（LiDAR）です。LiDARシステムはしばしば2.05μmの波長で光を放出するレーザーを使用します。より長いカットオフを持つInxGa1-xAsは「拡張波長InGaAs」と呼ばれます。

InAsを少し多く混ぜればよいように思えますが、そう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、基板とのミスマッチを引き起こし、薄膜の品質を低下させます。SUIは高品質な拡張波長InGaAsの成長に多くの努力を注いでおり、それが製品提供に反映されています。我々の努力の結果は図2にまとめられており、標準InGaAsの量子効率を赤で、2つの拡張波長合金X=0.74（青）とX=0.82（緑）の量子効率を示しています。1.45μmでショートカットオフの変種のスペクトル応答も示されています。我々が言うように、「InxGa1-xAsはシリコンが終わるところから始まる。」

この記事は、Sensors Unlimited（コリンズ・エアロスペースの一部門、ニュージャージー州プリンストン）のエンジニアたちによって執筆されました。詳細はこちら .