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,如果一個傳感器有 75% 的 QE 并暴露在 100 個光子下,它將能夠轉(zhuǎn)換為 75 個電子的信號。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 (~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,因此硅傳感器對入射的近紅外光實際上是透明的。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。
為了進一步改善 QE,可以通過前照式或后照式設(shè)備來改變設(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 時變得不透明。因此,在短波長下,柵極結(jié)構(gòu)會衰減入射光。
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,請參見圖 3。由于柵極結(jié)構(gòu)沒有光限制,背照式器件對光表現(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,半導(dǎo)體才會檢測到光子。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更長的波長,例如短波紅外(SWIR)區(qū)域(900-1700 nm)。因此,InGaAs相機在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)端波長截止會降低。這通常每 10 個偏移 8 nmo冷卻的 C。這意味著最大限度地提高光子進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,因為它允許傳感器充當(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,InGaAs 的遠(yuǎn)端截止波長會向藍(lán)色移動。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
-
傳感器
+關(guān)注
關(guān)注
2542文章
50320瀏覽量
750389 -
CCD
+關(guān)注
關(guān)注
32文章
877瀏覽量
142006 -
QE
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
5瀏覽量
7929 -
光子
+關(guān)注
關(guān)注
0文章
108瀏覽量
14399
發(fā)布評論請先 登錄
相關(guān)推薦
評論