Comment l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs) améliore la détection SWIR

La détection dans la gamme infrarouge à ondes courtes (longueurs d'onde de 0,9 à 1,7 microns) a été rendue pratique par le développement de capteurs à l'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs). Sensors Unlimited, Inc., une filiale de Collins Aerospace, est spécialisée dans la fabrication de réseaux linéaires unidimensionnels InGaAs, de caméras matricielles à plan focal bidimensionnel et de systèmes SWIR. Mais pourquoi même utiliser SWIR ?

Tout d'abord, un fait fondamental :la lumière dans la bande SWIR n'est pas visible à l'œil humain. Le spectre visible s'étend des longueurs d'onde de 0,4 microns (bleu, presque ultraviolet à l'œil) à 0,7 microns (rouge foncé). Les longueurs d'onde plus longues ne peuvent être vues que par des capteurs dédiés, tels que InGaAs. Bien que la lumière dans la région infrarouge à ondes courtes ne soit pas visible à l'œil nu, cette lumière interagit avec les objets de la même manière que les longueurs d'onde visibles. C'est-à-dire que la lumière SWIR est une lumière réfléchissante; il rebondit sur les objets un peu comme la lumière visible.

En raison de sa nature réfléchissante, la lumière SWIR présente des ombres et des contrastes dans son imagerie. Les images d'une caméra InGaAs sont comparables aux images visibles en noir et blanc en termes de résolution et de détails. Cela rend les objets facilement reconnaissables et donne l'un des avantages tactiques du SWIR, à savoir l'identification d'objet ou d'individu. Cela rend InGaAs intéressant, mais qu'est-ce qui le rend utile ?

Qu'est-ce qui rend InGaAs utile ?

Les capteurs InGaAs peuvent être rendus extrêmement sensibles, comptant littéralement les photons individuels. Lorsqu'elles sont construites sous forme de matrice à plan focal - avec des milliers ou des millions de minuscules capteurs ponctuels, ou pixels de capteur - les caméras SWIR fonctionneront dans des conditions très sombres. Les lunettes de vision nocturne existent depuis plusieurs décennies et fonctionnent en détectant et en amplifiant la lumière visible des étoiles réfléchie, ou toute autre lumière ambiante, dans ce qu'on appelle des tubes à intensification d'image (I-Squared). Cette technologie a bien fonctionné pour les lunettes de vision nocturne à vision directe. Mais lorsqu'une image doit être envoyée à un emplacement distant (un centre de renseignement, par exemple), il n'existe pas de méthode pratique qui n'introduise pas de limitations de fiabilité et de sensibilité (par exemple, I2CCD). Étant donné que tous les capteurs SWIR de SUI convertissent la lumière en signaux électriques, ils sont intrinsèquement adaptés au stockage ou à la transmission.

L'utilisation de SWIR la nuit présente un autre avantage majeur. Un phénomène atmosphérique appelé radiance du ciel nocturne émet cinq à sept fois plus d'éclairage que la lumière des étoiles, presque entièrement dans les longueurs d'onde SWIR. Avec une caméra SWIR et cette luminosité nocturne - souvent appelée lueur nocturne - nous pouvons "voir" les objets avec une grande clarté les nuits sans lune et partager ces images sur des réseaux comme aucune autre technologie d'imagerie ne peut le faire.

Mais n'y a-t-il pas d'autres caméras qui fonctionnent dans la gamme infrarouge à ondes courtes ? Oui. Les capteurs construits à partir de matériaux tels que le tellurure de mercure et de cadmium (Hg-CdTe) ou l'antimoniure d'indium (InSb) peuvent être très sensibles dans la bande SWIR. Cependant, afin d'augmenter leur rapport signal sur bruit à des niveaux utilisables, ces caméras doivent être refroidies cryogéniquement. À l'opposé, une sensibilité similaire peut être obtenue à température ambiante avec une caméra équipée d'InGaAs.

Essentiellement, les caméras InGaAs peuvent être petites et utiliser très peu d'énergie, mais donnent de gros résultats. Capteurs Les caméras InGaAs illimitées offrent une résolution VGA dans un petit boîtier de 1,25" × 1,25" × 1,10" et une consommation électrique de seulement 1,5 W à l'état stable. Nous offrons également une résolution HD (1 mégapixel) dans un boîtier de 2" × 2" × 2,43" avec ≤ 3,0 W de consommation d'énergie à l'état stable.

SWIR et imagerie thermique

Les imageurs thermiques sont une autre classe de caméras avec d'excellentes capacités de détection. Ces imageurs complètent l'imagerie SWIR dans de nombreuses applications. Alors que les imageurs thermiques peuvent détecter la présence d'un objet chaud sur un fond froid, un imageur SWIR peut fournir une reconnaissance et une identification ainsi qu'une perception de la profondeur avec contraste et ombres.

Image à travers le verre

Enfin, l'un des principaux avantages de l'imagerie SWIR qui est inégalé par d'autres technologies est la capacité d'imagerie à travers le verre. Ces caméras peuvent utiliser des objectifs de caméra visibles conventionnels et économiques pour toutes les applications, sauf les plus exigeantes. Les optiques spéciales coûteuses ou les boîtiers renforcés pour l'environnement sont pour la plupart inutiles, ce qui les rend disponibles pour une grande variété d'applications et d'industries. Cela permet également de monter la caméra SWIR derrière une vitre de protection, offrant une flexibilité supplémentaire lors du positionnement du système de caméra dans un environnement dangereux.

Alors, pourquoi SWIR ?

• Haute sensibilité

• Haute résolution

• Nightglow (éclat du ciel nocturne)

• Imagerie jour/nuit

• Éclairage caché

• Voir les lasers et balises cachés

• Aucun refroidissement cryogénique requis

• Lentilles à spectre visible conventionnelles à faible coût

• Petite taille

• Faible consommation

Qu'est-ce qu'InGaAs ?

InGaAs, ou arséniure d'indium et de gallium, est un alliage d'arséniure de gallium et d'arséniure d'indium. De manière plus générale, il appartient au système quaternaire InGaAsP qui se compose d'alliages d'arséniure d'indium (InAs), d'arséniure de gallium (GaAs), de phosphure d'indium (InP) et de phosphure de gallium (GaP). Comme le gallium et l'indium appartiennent au groupe III du tableau périodique, et que l'arsenic et le phosphore appartiennent au groupe V, ces matériaux binaires et leurs alliages sont tous des semi-conducteurs composés III-V.

Pourquoi passer par tous les ennuis ?

Dans une large mesure, les propriétés électriques et optiques d'un semi-conducteur dépendent de sa bande interdite d'énergie et du fait que la bande interdite soit "directe" ou "indirecte". Les bandes interdites d'énergie des quatre membres binaires du système quaternaire InGaAsP vont de 0,33 eV (InAs) à 2,25 eV (GaP), avec InP (1,29 eV) et GaAs (1,43 eV) se situant entre les deux. Chez SUI, nous mettons l'accent sur les photodétecteurs, nous nous soucions donc surtout des propriétés optiques des semi-conducteurs. Un semi-conducteur ne détectera que la lumière avec une énergie photonique supérieure à la bande interdite, ou pour le dire autrement, avec une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de coupure associée à la bande interdite. Cette "longueur d'onde de coupure" correspond à 3,75 μm pour InAs et 0,55 μm pour GaP avec InP à 0,96 μm et GaAs à 0,87 μm.

En mélangeant deux ou plusieurs des composés binaires, les propriétés des semi-conducteurs ternaires et quaternaires résultants peuvent être réglées sur des valeurs intermédiaires. Le défi est que non seulement la bande interdite d'énergie dépend de la composition de l'alliage, mais également de la constante de réseau résultante. Pour nos quatre membres binaires, les constantes de réseau vont de 5,4505 Å (GaP) à 6,0585 Å (InAs) avec GaAs à 5,6534 Å et InP à 5,8688 Å. La relation entre la constante de réseau et la coupure à grande longueur d'onde des 4 alliages ternaires de la famille InGaAsP est illustrée à la figure 2.

Revenons à InGaAs

L'alliage InAs/GaAs est appelé InxGa1-xAs où x est la proportion d'InAs et 1-x est la proportion de GaAs. Les constantes de réseau et les coupures de longueur d'onde longue de ces alliages sont représentées par les lignes rouges de la figure 1. Le défi est que, bien qu'il soit possible de fabriquer des films minces d'InxGa1-xAs par un certain nombre de techniques, un substrat est nécessaire pour maintenir le mince film. Si le film mince et le substrat n'ont pas la même constante de réseau, les propriétés du film mince seront sévèrement dégradées.

Pour de nombreuses raisons, le substrat le plus pratique pour Inx-Ga1-xAs est InP. Des substrats InP de haute qualité sont disponibles avec des diamètres allant jusqu'à 100 mm. InxGa1-xAs avec 53% InAs est souvent appelé "InGaAs standard" sans prendre la peine de noter les valeurs de "x" ou "1-x" car il a la même constante de réseau que InP et donc la combinaison conduit à des minces de très haute qualité films.

L'InGaAs standard a une coupure de longueur d'onde longue de 1,7 μm. Cela signifie qu'il est sensible aux longueurs d'onde de la lumière qui subissent le moins de dispersion de signal et transmettent le plus loin dans une fibre de verre (1,3 μm et 1,55 μm), détectant ainsi les lasers "sans danger pour les yeux" (longueurs d'onde supérieures à 1,4 μm). C'est la bande de longueur d'onde optimale pour détecter la lueur naturelle du ciel nocturne. Les principales gammes de produits de SUI sont basées sur des photodiodes PIN et à avalanche et des matrices de photodiodes fabriquées à partir d'InGaAs standard.

Qu'est-ce que l'InGaAs à "longueur d'onde étendue" ?

L'InGaAs standard a une coupure de longueur d'onde longue de 1,7 μm. De nombreuses applications nécessitent la détection de lumière avec des longueurs d'onde plus longues. Un exemple important est la possibilité de mesurer la teneur en humidité des produits agricoles en mesurant l'absorption d'eau à 1,9 μm. Un autre exemple est la détection et la télémétrie de la lumière (LiDAR), utilisées dans les avions pour détecter la turbulence en air clair. Les systèmes LiDAR utilisent souvent des lasers qui émettent de la lumière avec une longueur d'onde de 2,05 μm. InxGa1-xAs avec une coupure plus longue est appelé "InGaAs à longueur d'onde étendue".

Il semble que tout ce qu'il faudrait faire est d'ajouter un peu plus d'InAs au mélange, mais ce n'est pas si facile. Cela augmente la constante de réseau du film mince, ce qui provoque un décalage avec le substrat, et réduit ainsi la qualité du film mince. SUI a consacré beaucoup d'efforts à apprendre à développer des InGaA à longueur d'onde étendue de haute qualité, et cela se reflète dans les offres de produits. Les résultats de nos efforts sont résumés dans la figure 2, qui montre l'efficacité quantique de l'InGaAs standard en rouge ainsi que les efficacités quantiques de deux alliages à longueur d'onde étendue, X =0,74 (bleu) et X =0,82 (vert). La réponse spectrale d'une variante à coupure courte à 1,45 μm est également représentée. Comme nous aimons le dire, "InxGa1-xAs commence là où le silicium s'arrête."

Cet article a été écrit par des ingénieurs de Sensors Unlimited - une partie de Collins Aerospace (Princeton, NJ). Pour plus d'informations, visitez ici .