Comment l'arséniure d'indium gallium (InGaAs) améliore la détection infrarouge à ondes courtes (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 d'arséniure d'indium gallium (InGaAs). Sensors Unlimited, Inc., une division de Collins Aerospace, se spécialise dans la fabrication de réseaux linéaires unidimensionnels InGaAs, de caméras à réseau plan focal bidimensionnel et de systèmes SWIR. Mais pourquoi utiliser le SWIR ?

Principes de base : la lumière SWIR et la vision humaine

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

En raison de sa nature réfléchie, la lumière SWIR a des ombres et du contraste dans ses images. Les images d'une caméra InGaAs sont comparables aux images visibles en noir et blanc en résolution et en détail. Cela rend les objets facilement reconnaissables et procure l'un des avantages tactiques du SWIR, à savoir l'identification d'objets ou d'individus. Cela rend l'InGaAs intéressant, mais qu'est-ce qui le rend utile ?

Ce qui rend l'InGaAs utile

Les capteurs InGaAs peuvent être rendus extrêmement sensibles, comptant littéralement des photons individuels. Lorsqu'ils sont construits comme réseau 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 amplifiant la lumière des étoiles réfléchie, ou autre lumière ambiante, dans ce qu'on appelle des tubes d'intensification d'image (I-Carré). Cette technologie a bien fonctionné pour les lunettes de vision nocturne à vision directe. Mais quand une image doit être envoyée à un endroit distant (un centre de renseignement, par exemple), il n'y a pas de méthode pratique qui n'introduise pas de limitations de fiabilité et de sensibilité (ex. I2CCD). Parce 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 du SWIR la nuit a un autre avantage majeur. Un phénomène atmosphérique appelé radiance du ciel nocturne émet cinq à sept fois plus d'illumination que la lumière des étoiles, presque tout dans les longueurs d'onde SWIR. Avec une caméra SWIR et cette radiance nocturne — souvent appelée lueur nocturne — nous pouvons « voir » les objets avec une grande clarté les nuits sans lune et partager ces images à travers les 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. Des capteurs construits à partir de matériaux comme le tellurure de mercure cadmium (Hg-CdTe) ou l'antimonure d'indium (InSb) peuvent être très sensibles dans la bande SWIR. Cependant, pour augmenter leur rapport signal/bruit à des niveaux utilisables, ces caméras doivent être cryogéniquement refroidies. En contraste saisissant, une sensibilité similaire peut être atteinte à température ambiante avec une caméra équipée d'InGaAs.

Essentiellement, les caméras InGaAs peuvent être petites et utiliser très peu d'énergie, mais donner de grands résultats. Les caméras InGaAs de Sensors Unlimited offrent une résolution VGA dans un minuscule boîtier de 1,25" × 1,25" × 1,10" et seulement 1,5 W de consommation 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 à l'état stable.

SWIR et imagerie thermique

Les imageurs thermiques sont une autre classe de caméra 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 la reconnaissance et l'identification ainsi que la perception de profondeur avec contraste et ombres.

Imagerie à travers le verre

Enfin, un avantage majeur de l'imagerie SWIR qui n'est pas égalé par d'autres technologies est la capacité d'imager à travers le verre. Ces caméras peuvent utiliser des objectifs de caméra visibles conventionnels et rentables pour toutes les applications sauf les plus exigeantes. Des optiques spéciales coûteuses ou des boîtiers durcis pour l'environnement sontmostly inutiles, les rendant disponibles pour une grande variété d'applications et d'industries. Cela permet également à la caméra SWIR d'être montée derrière une fenêtre de verre protectrice, offrant une flexibilité supplémentaire lors du positionnement du système de caméra dans un environnement dangereux.

Pourquoi le SWIR ?

• Haute sensibilité
• Haute résolution
• Lueur nocturne (radiance du ciel nocturne)
• Imagerie jour-nuit
• Illumination covert
• Voir lasers et balises covert
• Pas de refroidissement cryogénique requis
• Objectifs spectre visible conventionnels, peu coûteux
• Petite taille
• Faible consommation

Qu'est-ce que l'InGaAs ?

L'InGaAs, ou arséniure d'indium gallium, est un alliage d'arséniure de gallium et d'arséniure d'indium. Dans un sens plus général, il appartient au système quaternaire InGaAsP qui consiste en des 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 l'arsenic et le phosphore au Groupe V, ces matériaux binaires et leurs alliages sont tous des semi-conducteurs composés III-V.

Pourquoi tant d'efforts ?

Dans une large mesure, les propriétés électriques et optiques d'un semi-conducteur dépendent de son gap d'énergie et de savoir si le gap est « direct » ou « indirect ». Les gaps d'énergie des quatre membres binaires du système quaternaire InGaAsP varient de 0,33 eV (InAs) à 2,25 eV (GaP), avec InP (1,29 eV) et GaAs (1,43 eV) entre les deux. Chez SUI, nous mettons l'accent sur les photodétecteurs, donc nous nous soucions le plus des propriétés optiques des semi-conducteurs. Un semi-conducteur ne détectera que la lumière avec une énergie de photon supérieure au gap, ou pour le dire autrement, avec une longueur d'onde plus courte que la longueur d'onde de coupure associée au gap. Cette « coupure à longue longueur d'onde » donne 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 ajustées à des valeurs intermédiaires. Le défi est que non seulement le gap d'énergie dépend de la composition de l'alliage, mais aussi la constante de réseau résultante. Pour nos quatre membres binaires, les constantes de réseau varient 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 longue longueur d'onde des 4 alliages ternaires de la famille InGaAsP est montrée dans la Figure 2.

Revenons à l'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 coupures à longue longueur d'onde de ces alliages sont représentées par les lignes rouges dans la Figure 1. Le défi est que s'il est possible de faire des couches minces d'InxGa1-xAs par plusieurs techniques, un substrat est requis pour soutenir le film mince. Si le film mince et le substrat n'ont pas la même constante de réseau, alors les propriétés du film mince seront sévèrement dégradées.

Pour beaucoup de raisons, le substrat le plus commode pour l'Inx-Ga1-xAs est l'InP. Des substrats InP de haute qualité sont disponibles avec des diamètres aussi grands que 100 mm. L'InxGa1-xAs avec 53 % d'InAs est souvent appelé « InGaAs standard » sans se soucier de noter les valeurs de « x » ou « 1-x » car il a la même constante de réseau que l'InP et donc la combinaison mène à des films minces de très haute qualité.

L'InGaAs standard a une coupure à longue longueur d'onde de 1,7 µm. Cela signifie qu'il est sensible aux longueurs d'onde de lumière qui subissent la moindre dispersion de signal et transmettent le plus loin dans une fibre de verre (1,3 µm et 1,55 µm), détectant donc les lasers « sans danger pour les yeux » (longueurs d'onde plus longues que 1,4 µm). C'est la bande de longueur d'onde optimale pour détecter la lueur naturelle du ciel nocturne. Les lignes de produits de base de SUI sont basées sur des photodiodes PIN et avalanche et des réseaux de photodiodes faits d'InGaAs standard.

Qu'est-ce que l'InGaAs « longueur d'onde étendue » ?

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

Il semblerait qu'il suffise 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 cause un désaccord avec le substrat, et réduit ainsi la qualité du film mince. SUI a beaucoup travaillé pour apprendre à faire croître de l'InGaAs 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 avec 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 montrée. Comme nous aimons le dire : « L'InxGa1-xAs commence là où le silicium s'arrête. »

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