視覺階梯發(fā)展：傳感器材料對短波紅外成像技術的影響

導讀

短波紅外成像技術的發(fā)展受到了傳感器材料種類的限制與推動，從硅基到銦鎵砷，從量子點到鍺基，豐富的材料影響著短波紅外相機的分辨率、質量、成本等性能特征。

短波紅外成像與傳感器

短波紅外光通常定義在 900 - 1700nm，相比于可見光能揭示更多肉眼看不到的信息，捕獲該波長范圍內的紅外光是一項挑戰(zhàn)，需要復雜的傳感器技術?，F(xiàn)用于短波紅外技術的傳感器有多種材料可選，不同材料的傳感器具有特定的優(yōu)點和缺點。

各種傳感器在不同紅外波長范圍內的應用和光譜靈敏度（圖源Allied Vision）

根據(jù)傳感器玻璃材料和內部架構，硅基傳感器可以優(yōu)化為在低至 200nm 的紫外范圍內靈敏，或在 750 - 1100nm 范圍內提供更高的靈敏度（近紅外感應）。然而，從 1050nm 開始的量子效率通常小于 10% 且會急劇下降，因為硅在大約 1100nm 處是透明的。因此，需要其他傳感器材料來檢測 1100nm 以上 SWIR 范圍內的光。

銦鎵砷短波紅外傳感器

最常見的 SWIR 傳感器類型使用砷化銦鎵（InGaAs，銦鎵砷）為材料，這種傳感器通常在 900 -1700nm 范圍內靈敏。如果亞磷酸銦層保持很薄，那么可見光就可以進入光敏InGaAs層，該傳感器即可檢測可見光范圍內的光。例如，索尼的 IMX99x SenSWIR 傳感器就屬于這種類型。

InGaAs的有趣之處在于，傳感器可以用不同成分的砷化銦和砷化鎵制造，最終銦和鎵之間的比率決定了截止波長（即能夠檢測到的最長波長）。比如增加 InGaAs 技術使用的銦含量，可以將檢測范圍擴展到 2600nm 左右，但需要權衡的是整體性能會降低、成本將增加 4-5 倍。

銦鎵砷化物傳感器已經得到廣泛應用，市面上有眾多銦鎵砷探測器的短波紅外相機。?百萬像素高性能、高密度 InGaAs 大面陣焦平面陣列技術在歐美和日本等地已實現(xiàn)產業(yè)化，最小像元中心距達到 5 μm。國內目前的 InGaAs 產品規(guī)格主要是 15μm 中心距、640×512 像素，10μm / 15μm 中心距 、1280×1024 像素的產品正在陸續(xù)推出。

InGaAs 紅外相機的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在其高靈敏度、高幀速和高分辨率，以及優(yōu)化的制冷設計帶來的低噪聲和高穩(wěn)定性。InGaAs 紅外相機是高要求應用場景的首要選擇，包括但不限于硅晶元檢測、光通訊、電致發(fā)光（EL）、光致發(fā)光（PL）等。

友思特 InGaAs 短波紅外相機 HG-A130SW，分辨率 1.3M，可用于半導體檢測等場景

InGaAs 短波紅外探測器的成本限制了其潛力。InGaAs 傳感器通常每單位成本高達1萬美元，這是由于批量生產過程中出現(xiàn)的高缺陷率而使價格不得已抬高。制造 InGaAs 傳感器需要將材料外延生長到磷化銦（InP）晶圓上并切成芯片。然后，像素與硅讀出電路進行銦鍵合，這一過程稱為“倒裝芯片雜交”，撇開高昂的生產成本不談，還會限制像素間距和分辨率，InP 材料固有的脆弱性也為制造出更大尺寸的晶圓帶來了挑戰(zhàn)。

一些 InGaAs 傳感器試圖通過使用銅銅（Cu-Cu）混合晶圓鍵合技術來克服其有限的像素間距。然而，由于這些傳感器在室溫下會經歷高暗電流，因此更容易受到噪聲的影響，這意味著需要笨重的冷卻系統(tǒng)才能實現(xiàn)所需的圖像質量。

量子點短波紅外傳感器

量子點是納米級半導體材料，可以響應高達 2600nm 的波長。從廣義上講，它們可以分為膠體或外延。外延量子點是使用高能“干”化學技術生產的，而膠體量子點是使用臺式“濕”化學技術生產的，賦予它們無與倫比的光電特性，以及合成過程中精確的尺寸控制。因此，膠體量子點比外延替代品更便宜、更容易生產，并且是視覺系統(tǒng)中最常用的變體。

硫化鉛基 （PbS） 量子點能夠以銦砷化鎵技術的一小部分成本實現(xiàn)類似或更高的性能，具有靈活的寬帶可調性，涵蓋可見光、近紅外、短波紅外和中波紅外 （MWIR） 波長；光吸收性強，介電常數(shù)大。PbS 量子點與各種基板和外形尺寸兼容，特別適合短波紅外成像和傳感?，F(xiàn)在市面上也出現(xiàn)了一些商用量子點短波紅外相機，并在工業(yè)場景有所應用。

雖然成本引人注目，但 CQD 和銦鎵砷相比，其量子響應仍然更低。InGaAs 在 950 - 1650nm 之間具有＞80% 的量子效率，而 CQD 在大多數(shù) SWIR 波長上的信號不到 10%，幀速率也相對較低。不過，它們以更低的成本、低暗電流和更高的分辨率（目前高達 2MP）而擁有一定的市場用量。除此以外，CQD 傳感器通常比 InGaAs 傳感器具有更寬的光譜范圍，因此它們可以通過單個傳感器支持多個光譜范圍。盡管量子點不太可能在短期內完全取代用于短波紅外傳感的銦砷化鎵，但該技術適合作為一項技術補充。

鍺基短波紅外傳感器

鍺基 SWIR 傳感器是一種創(chuàng)新技術路線，改進了鍺的生產工藝，采用獲得專利的選擇性外延鍺（Ge）生長技術與成熟的硅基 CMOS 讀出電路技術相結合，通過鍺的熱氧化來降低表面粗糙度；同時,采用雙用雙芯片封裝 (傳感器與 ROIC) 技術，相比于目前成熟的單片集成技術方案具有更強的制造靈活性，進一步降低了短波紅外探測器的制造成本。創(chuàng)新的技術使得鍺基短波紅外相機 Beyonsense 入圍了 2023 年的 SPIE 國際光學和光子學協(xié)會棱鏡獎的相機/傳感技術類提名。

友思特 BeyonSense 短波紅外相機采用了非制冷鍺基探測器，實現(xiàn)了 28mm 超薄的小巧尺寸，此外，相機采用現(xiàn)代化的簡單方便的無線連接的方式，個人手機、平板、電腦直接WIFI連接即可控制相機拍攝和儲存，真正意義上將 900nm-1700nm 短波紅外成像技術送到人們手掌之中。

友思特 Beyonsense 鍺基短波紅外相機透過晶圓看到鹵素燈燈絲，驗證了其對短波紅外光的探測能力

雖然鍺基紅外探測器的成本有明顯下降，但其分辨率和幀頻較低，128×128 的分辨率適合一些實驗室應用，比如對紅外激光成像等基本應用。對于分辨率要求更高的工業(yè)場景，目前還需要提分辨率與靈敏度等參數(shù)。

除了以上介紹的探測器以外，碲化汞、鎘 （MCT） 與 II 型超晶格 T2SL 傳感器（某些材料成分，如 InGaAs/GaAsSb 或 InAs/AlSb/GaSb）也可以探測短波紅外范圍，不過它們更常見被用于中波紅外波長范圍內的成像。

基于 MTC 傳感器的相機通常具有較低的分辨率，最高 640×512 像素 （VGA）。它們支持 400 - 2500nm 的寬光譜范圍，具有高量子效率。然而，這是一項昂貴的技術，需要通過純散熱器進行強力冷卻，以補償傳感器的高暗電流。

II 型超晶格傳感器的相機的特點是具有非常高的動態(tài)范圍，盡管在 SXGA 分辨率下最小像素尺寸在 5 - 12μm 之間，然而相比之下，它們具有低量子效率和低幀率。此外，還有非常高的暗電流值和通常高昂的成本。因此，這兩類探測器在短波紅外范圍內應用較少。

多種技術路線的短波紅外相機為工業(yè)與科研都帶來了新的視野，能夠幫助人們探查到人眼所見不到的領域，比如半導體晶圓的隱裂、塑料瓶液位檢測、水果淤傷檢測等。

隨著技術的進步，短波紅外探測器會實現(xiàn)更高的分辨率、更好的量子響應效率，其低成本化趨勢也將讓短波紅外相機更容易進入日常生活，讓普通大眾也可享受短波紅外技術給生活質量帶來的改善。

友思特短波紅外相機產品

InGaAs短波紅外相機

友思特提供 1.3M、5M 分辨率的 CMOS 與 InGaAs 短波紅外相機，高分辨率與高量子響應效率，多種接口選擇，滿足工業(yè)與科研需要。

鍺基短波紅外相機

BeyonSense 低成本迷你短波紅外相機，配置三腳架與鏡頭，靈活便攜，可無線連接電腦與手機，可用于簡單的 SWIR 成像與科研應用。

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審核編輯 黃宇