Cómo el arseniuro de indio y galio (InGaAs) mejora la detección SWIR

La detección en el rango infrarrojo de onda corta (longitudes de onda de 0,9 a 1,7 micras) se ha hecho práctica gracias al desarrollo de sensores de arseniuro de indio y galio (InGaAs). Sensors Unlimited, Inc., una parte de Collins Aerospace, se especializa en la fabricación de matrices lineales unidimensionales de InGaAs, cámaras de matriz de plano focal bidimensional y sistemas SWIR. Pero, ¿por qué usar SWIR?

Primero, un dato básico:la luz en la banda SWIR no es visible para el ojo humano. El espectro visible se extiende desde longitudes de onda de 0,4 micras (azul, casi ultravioleta para el ojo) hasta 0,7 micras (rojo intenso). Las longitudes de onda más largas solo pueden verse con sensores dedicados, como InGaAs. Aunque la luz en la región infrarroja de onda corta no es visible para el ojo, esta luz interactúa con los objetos de manera similar a las longitudes de onda visibles. Es decir, la luz SWIR es luz reflectante; rebota en los objetos como si fuera luz visible.

Como resultado de su naturaleza reflectante, la luz SWIR tiene sombras y contrastes en sus imágenes. Las imágenes de una cámara InGaAs son comparables a las imágenes visibles en blanco y negro en resolución y detalle. Esto hace que los objetos sean fácilmente reconocibles y produce una de las ventajas tácticas del SWIR, a saber, la identificación de objetos o individuos. Esto hace que InGaAs sea interesante, pero ¿qué lo hace útil?

¿Qué hace que InGaAs sea útil?

Los sensores de InGaAs pueden hacerse extremadamente sensibles, literalmente contando fotones individuales. Cuando se construyen como una matriz de plano focal, con miles o millones de sensores de puntos diminutos o píxeles de sensor, las cámaras SWIR funcionarán en condiciones de mucha oscuridad. Las gafas de visión nocturna existen desde hace varias décadas y funcionan detectando y amplificando la luz de las estrellas visible reflejada, u otra luz ambiental, en lo que se denomina tubos de intensificación de imagen (I-Squared). Esta tecnología ha funcionado bien para las gafas de visión nocturna de visión directa. Pero cuando es necesario enviar una imagen a una ubicación remota (un centro de inteligencia, por ejemplo), no existe un método práctico que no introduzca limitaciones de confiabilidad y sensibilidad (por ejemplo, I2CCD). Debido a que todos los sensores SWIR de SUI convierten la luz en señales eléctricas, son intrínsecamente adecuados para el almacenamiento o la transmisión.

Usar SWIR por la noche tiene otra gran ventaja. Un fenómeno atmosférico llamado radiación del cielo nocturno emite de cinco a siete veces más iluminación que la luz de las estrellas, casi toda en las longitudes de onda SWIR. Con una cámara SWIR y este resplandor nocturno, a menudo llamado brillo nocturno, podemos "ver" objetos con gran claridad en noches sin luna y compartir estas imágenes a través de redes como ninguna otra tecnología de imágenes puede hacerlo.

¿Pero no hay otras cámaras que funcionen en el rango infrarrojo de onda corta? Sí. Los sensores fabricados con materiales como el telururo de mercurio y cadmio (Hg-CdTe) o el antimoniuro de indio (InSb) pueden ser muy sensibles en la banda SWIR. Sin embargo, para aumentar su relación señal-ruido a niveles utilizables, estas cámaras deben enfriarse criogénicamente. En marcado contraste, se puede lograr una sensibilidad similar a temperatura ambiente con una cámara equipada con InGaAs.

Esencialmente, las cámaras InGaAs pueden ser pequeñas y usar muy poca energía, pero dan grandes resultados. Las cámaras Sensors Unlimited InGaAs ofrecen resolución VGA en un paquete diminuto de 1,25" × 1,25" × 1,10" y un consumo de energía de solo 1,5 W en estado estable. También ofrecemos resolución HD (1 megapíxel) en un paquete de 2" × 2" × 2,43" con Consumo de energía de ≤ 3,0 W en estado estable.

SWIR e imágenes térmicas

Las cámaras termográficas son otra clase de cámara con excelentes capacidades de detección. Estos generadores de imágenes complementan las imágenes SWIR en muchas aplicaciones. Mientras que las cámaras termográficas pueden detectar la presencia de un objeto cálido contra un fondo frío, una cámara SWIR puede proporcionar reconocimiento e identificación, así como percepción de profundidad con contraste y sombras.

Imagen a través del vidrio

Finalmente, un beneficio importante de las imágenes SWIR que no tiene comparación con otras tecnologías es la capacidad de generar imágenes a través del vidrio. Estas cámaras pueden usar lentes de cámara visible convencionales y rentables para todas las aplicaciones excepto las más exigentes. Las ópticas costosas especiales o las carcasas resistentes al medio ambiente son en su mayoría innecesarias, lo que las hace disponibles para una amplia variedad de aplicaciones e industrias. Esto también permite que la cámara SWIR se monte detrás de una ventana protectora de vidrio, lo que proporciona flexibilidad adicional al colocar el sistema de cámara en un entorno peligroso.

Entonces, ¿por qué SWIR?

• Alta sensibilidad

• Alta resolución

• Resplandor nocturno (resplandor del cielo nocturno)

• Imágenes de día a noche

• Iluminación encubierta

• Ver láseres y balizas encubiertas

• No se requiere refrigeración criogénica

• Lentes de espectro visible convencionales y de bajo costo

• Tamaño pequeño

• Bajo consumo

¿Qué es InGaAs?

InGaAs, o arseniuro de indio y galio, es una aleación de arseniuro de galio y arseniuro de indio. En un sentido más general, pertenece al sistema cuaternario InGaAsP que consta de aleaciones de arseniuro de indio (InAs), arseniuro de galio (GaAs), fosfuro de indio (InP) y fosfuro de galio (GaP). Como el galio y el indio pertenecen al Grupo III de la Tabla Periódica, y el arsénico y el fósforo pertenecen al Grupo V, estos materiales binarios y sus aleaciones son todos semiconductores compuestos III-V.

¿Por qué pasar por todos los problemas?

En gran medida, las propiedades eléctricas y ópticas de un semiconductor dependen de su banda prohibida de energía y de si la banda prohibida es "directa" o "indirecta". Las bandas prohibidas de energía de los cuatro miembros binarios del sistema cuaternario InGaAsP oscilan entre 0,33 eV (InAs) y 2,25 eV (GaP), con InP (1,29 eV) y GaAs (1,43 eV) en el medio. En SUI, enfatizamos los fotodetectores, por lo que nos preocupamos más por las propiedades ópticas de los semiconductores. Un semiconductor solo detectará luz con una energía fotónica mayor que la banda prohibida, o dicho de otro modo, con una longitud de onda más corta que la longitud de onda de corte asociada con la banda prohibida. Este "corte de longitud de onda larga" funciona a 3,75 μm para InAs y 0,55 μm para GaP con InP a 0,96 μm y GaAs a 0,87 μm.

Al mezclar dos o más de los compuestos binarios, las propiedades de los semiconductores ternarios y cuaternarios resultantes pueden ajustarse a valores intermedios. El desafío es que la banda prohibida de energía no solo depende de la composición de la aleación, sino que también depende de la constante de red resultante. Para nuestros cuatro miembros binarios, las constantes de red oscilan entre 5,4505 Å (GaP) y 6,0585 Å (InAs) con GaAs en 5,6534 Å e InP en 5,8688 Å. La relación entre la constante de red y el corte de longitud de onda larga de las 4 aleaciones ternarias en la familia InGaAsP se muestra en la Figura 2.

Volvamos a InGaAs

La aleación InAs/GaAs se denomina InxGa1-xAs, donde x es la proporción de InAs y 1-x es la proporción de GaAs. Las constantes de red y los cortes de longitud de onda larga de estas aleaciones se representan como líneas rojas en la Figura 1. El desafío es que, si bien es posible hacer películas delgadas de InxGa1-xAs mediante varias técnicas, se requiere un sustrato para sostener la delgada capa. película. Si la película delgada y el sustrato no tienen la misma constante de red, las propiedades de la película delgada se degradarán gravemente.

Por muchas razones, el sustrato más conveniente para Inx-Ga1-xAs es InP. Los sustratos InP de alta calidad están disponibles con diámetros de hasta 100 mm. InxGa1-xAs con 53 % de InAs a menudo se denomina "InGaAs estándar" sin molestarse en anotar los valores de "x" o "1-x" porque tiene la misma constante de red que InP y, por lo tanto, la combinación da como resultado películas.

El InGaAs estándar tiene un corte de longitud de onda larga de 1,7 μm. Esto significa que es sensible a las longitudes de onda de la luz que sufren la menor dispersión de la señal y se transmiten más lejos por una fibra de vidrio (1,3 μm y 1,55 μm), por lo que detecta láseres "seguros para los ojos" (longitudes de onda superiores a 1,4 μm). Es la banda de longitud de onda óptima para detectar el brillo natural del cielo nocturno. Las líneas de productos principales de SUI se basan en fotodiodos PIN y avalancha y matrices de fotodiodos fabricados con InGaAs estándar.

¿Qué es InGaAs de "longitud de onda extendida"?

El InGaAs estándar tiene un corte de longitud de onda larga de 1,7 μm. Muchas aplicaciones requieren la detección de luz con longitudes de onda más largas. Un ejemplo importante es la capacidad de medir el contenido de humedad en productos agrícolas midiendo la absorción de agua a 1,9 μm. Otro ejemplo es la detección y alcance de la luz (LiDAR), que se utiliza en los aviones para detectar turbulencias en aire despejado. Los sistemas LiDAR suelen utilizar láseres que emiten luz con una longitud de onda de 2,05 μm. InxGa1-xAs con un corte más largo se denomina "InGaAs de longitud de onda extendida".

Parece como si todo lo que uno tuviera que hacer fuera agregar un poco más de InAs a la mezcla, pero no es tan fácil. Esto aumenta la constante de red de la película delgada, lo que provoca un desajuste con el sustrato y, por lo tanto, reduce la calidad de la película delgada. SUI ha trabajado mucho para aprender a desarrollar InGaAs de longitud de onda extendida de alta calidad, y esto se refleja en las ofertas de productos. Los resultados de nuestros esfuerzos se resumen en la Figura 2, que muestra la eficiencia cuántica del InGaAs estándar en rojo junto con las eficiencias cuánticas de dos aleaciones de longitud de onda extendida, X=0,74 (azul) y X=0,82 (verde). También se muestra la respuesta espectral de un atajo en la variante de 1,45 μm. Como nos gusta decir, "InxGa1-xAs comienza donde termina el silicio".

Este artículo fue escrito por ingenieros de Sensors Unlimited, una parte de Collins Aerospace (Princeton, NJ). Para obtener más información, visite aquí .