InGaAs相機(jī)：基礎(chǔ)知識(shí)

InGaAs傳感器

InGaAs傳感器用于物理和生命科學(xué)中需要在900-1700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高靈敏度的應(yīng)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(cè)量高達(dá) 2500 nm 的波長(zhǎng)。

雖然硅基CCD相機(jī)在紫外至近紅外范圍內(nèi)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(jī)具有較低的帶隙，使這種材料成為短波紅外(SWIR)區(qū)域應(yīng)用的首選技術(shù)。

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(chǎn)生的電荷來檢測(cè)SWIR入射光。ROIC為收集到的電荷提供時(shí)鐘并將其轉(zhuǎn)換為電壓，將信號(hào)傳輸?shù)狡怆娮釉O(shè)備，用于創(chuàng)建圖像。

圖 1：典型 InGaAs 傳感器不同層的示意圖。頂層(藍(lán)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(jī)前置放大器(黃色長(zhǎng)方體)連接的讀出集成電路(灰色)上。

局限性

InGaAs相機(jī)的最大限制是它們的噪音水平。材料的較低帶隙也會(huì)產(chǎn)生較高的暗電流(熱產(chǎn)生的信號(hào))。因此，InGaAs相機(jī)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(shí)現(xiàn)，具體取決于應(yīng)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(huán)境的低熱耦合，并防止傳感器上殘留氣體冷凝。最高質(zhì)量的真空室可在攝像機(jī)的整個(gè)生命周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)免維護(hù)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(guān)系，表明隨著溫度的降低，每秒每像素的電子數(shù)會(huì)減少。

另一個(gè)限制是像素缺陷。由于InGaAs傳感器制造的復(fù)雜性，缺陷像素是不可避免的，但是可以通過在數(shù)據(jù)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(gè)問題，由增益或響應(yīng)變化引起。在典型的InGaAs焦平面陣列中，每個(gè)像素列都連接到一個(gè)單獨(dú)的前置放大器進(jìn)行讀出，從而產(chǎn)生來自任何增益/響應(yīng)變化的固定模式噪聲。然而，在先進(jìn)的InGaAs相機(jī)中，這是可以完全減去的。

總結(jié)

InGaAs傳感器由于其較低的帶隙而針對(duì)SWIR范圍的檢測(cè)進(jìn)行了優(yōu)化。這些傳感器由2D光電二極管陣列組成，該陣列由InP亞態(tài)、InGaAs吸收層和超薄InP帽組成。

SWIR波長(zhǎng)在多種應(yīng)用中是必不可少的，例如，在生命科學(xué)中，該波長(zhǎng)范圍很容易深入到體內(nèi)組織中。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，InGaAs相機(jī)對(duì)于濕度測(cè)量、表面薄膜分布和材料分離至關(guān)重要;所有這些都依賴于SWIR范圍內(nèi)的光子檢測(cè)。

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

審核編輯 黃宇