量子效率介紹

圖 1：典型背照式硅 CCD 和 InGaAs 傳感器的 QE 曲線。在490-700 nm的波長范圍內(nèi)，可以顯示超過90%的CCD QE。

相比之下，對(duì)于InGaAs傳感器的960-1600 nm波長范圍，可以顯示超過80%的波長范圍。材料(硅與InGaAs)的差異導(dǎo)致在截然不同的波長范圍(分別為可見光與近紅外)下實(shí)現(xiàn)高QE。

量子效率 (QE) 是成像設(shè)備可以轉(zhuǎn)化為電子的入射光子的百分比。例如，如果一個(gè)傳感器有 75% 的 QE 并暴露在 100 個(gè)光子下，它將能夠轉(zhuǎn)換為 75 個(gè)電子的信號(hào)。每種傳感器技術(shù)的量化寬松都不同，高端科學(xué)傳感器的量化寬松率達(dá)到 95%。然而，它是由被檢測(cè)到的光的波長和半導(dǎo)體材料決定的。圖 1 顯示了背照式硅 CCD 傳感器和 InGaAs 傳感器之間的 QE 差異。

對(duì)于CCD、EMCCD、(em)ICCD和sCMOS技術(shù)，在某些波長范圍內(nèi)可以達(dá)到95%的QE，但可見光譜的近紅光和紫外區(qū)域的光子具有較低的QE因此，傳感器的效率會(huì)降低。為了改善這些地區(qū)的量化寬松，已經(jīng)開發(fā)了深度耗盡傳感器和涂層傳感器，從而提高了量化寬松。

硅傳感器

大多數(shù)科學(xué)傳感器都是由硅制成的。由于量化寬松取決于材料，因此重要的是要了解該元素的特性以及它如何與光相互作用。

在高純度晶體形式中，相鄰的硅原子彼此共價(jià)鍵合。需要大于帶隙能量的能量才能破壞這些鍵以產(chǎn)生電子/空穴對(duì) (~1.1 eV)。入射光的波長與光子吸收深度直接相關(guān);波長越短，穿透硅的深度越短。

深度耗盡硅傳感器比傳統(tǒng)的硅傳感器更厚，因此能夠檢測(cè)更長波長的光(即 > 700 nm，NIR)。近紅外光在硅中的穿透深度比典型的硅傳感器更深，因此硅傳感器對(duì)入射的近紅外光實(shí)際上是透明的。深度耗盡硅傳感器可在 700 – 850 nm 之間提供 >90% 的 QE，而傳統(tǒng)硅傳感器的 QE 為 >60%，如圖 2 所示。

圖 2：背照式 CCD 傳感器、背照式深耗盡式 CCD 傳感器和前照式 CCD 傳感器的 QE 曲線。

為了進(jìn)一步改善 QE，可以通過前照式或后照式設(shè)備來改變?cè)O(shè)備內(nèi)傳感器的方向(見圖 2)。前照式器件的入射光通常通過并行寄存器的柵極進(jìn)入傳感器。這些柵極由非常薄的多晶硅制成，在長波長下是相當(dāng)透明的，但在波長小于 400 nm 時(shí)變得不透明。因此，在短波長下，柵極結(jié)構(gòu)會(huì)衰減入射光。

如果硅傳感器均勻變薄，則圖像可以聚焦在沒有柵極結(jié)構(gòu)的傳感器后端。有關(guān)比較，請(qǐng)參見圖 3。由于柵極結(jié)構(gòu)沒有光限制，背照式器件對(duì)光表現(xiàn)出很高的靈敏度，使 95% 的 QE 成為可能。

圖 3：前照式和后照式技術(shù)的比較。入射光在照射到傳感器之前必須穿過微透鏡和金屬線，從而降低最大量子效率。與背照式傳感器相互作用的入射光首先照射到傳感器上，因此器件的 QE 不會(huì)減少。

InGaAs傳感器

只有當(dāng)光子的能量高于材料的帶隙能量或更短的波長時(shí)，半導(dǎo)體才會(huì)檢測(cè)到光子。InGaAs傳感器是由InAs和GaAs合金制成的半導(dǎo)體，傳統(tǒng)的InGaAs傳感器的InAs：GaAs比例為x：1-x。由于InGaAs不是天然存在的材料，因此必須在InP襯底上生長單晶。

InGaAs傳感器通常具有比硅更低的帶隙能量，這意味著它們能夠檢測(cè)更長的波長，例如短波紅外(SWIR)區(qū)域(900-1700 nm)。因此，InGaAs相機(jī)在950-1600 nm區(qū)域內(nèi)可以具有QE >80%。圖4顯示了典型InGaAs傳感器的QE曲線。通過增加單晶內(nèi)InAs的濃度，截止波長可以擴(kuò)展到2600 nm。

圖 4：InGaAs 傳感器的典型 QE 曲線，顯示 950 – 1600 nm 范圍內(nèi)的 QE >80%，使其成為近紅外研究的理想傳感器。

盡管 InGaAs 相機(jī)在 900 – 1700 nm 范圍內(nèi)具有高 QE，但隨著器件的冷卻，遠(yuǎn)端波長截止會(huì)降低。這通常每 10 個(gè)偏移 8 nmo冷卻的 C。這意味著最大限度地提高光子進(jìn)入器件的吞吐量非常重要，但是這種遠(yuǎn)端截止的偏移可能是有利的，因?yàn)樗试S傳感器充當(dāng)“可調(diào)諧”低通濾波器。圖5顯示了遠(yuǎn)端截止如何隨著溫度的降低而變化。

圖 5：當(dāng)器件冷卻時(shí)，InGaAs 的遠(yuǎn)端截止波長會(huì)向藍(lán)色移動(dòng)。通常，遠(yuǎn)端波長每 8 nm 偏移10oC冷卻。

總結(jié)

QE是衡量設(shè)備將入射光子轉(zhuǎn)換為電子的有效性的指標(biāo)。QE波長不僅取決于傳感器材料，還取決于傳感器材料。如果入射光子的能量高于半導(dǎo)體的帶隙能量，傳感器將檢測(cè)到入射光子。這就是為什么硅在 500-600 nm 之間具有 95% 的 QE，但對(duì)于更長的紅外/更短的紫色波長具有較低的 QE，但 InGaAs 在 SWIR 范圍 (900 – 1700 nm) 上具有高 QE，而不是可見光區(qū)域或中紅外波長范圍 (>1700 nm)。

審核編輯 黃宇