據(jù)麥姆斯咨詢報道，德國亥姆霍茲聯(lián)合會下屬的研究機構(gòu)——于利希研究中心(Jülich Research Center)的科學家與意大利合作伙伴共同開發(fā)了一種新型紅外探測器，可以輕松集成到現(xiàn)有的相機和智能手機之中。這種與硅基集成電路工藝兼容的低成本紅外探測器可以感知近紅外和短波紅外輻射，而以前傳統(tǒng)的硅基光電二極管無法覆蓋這兩個光譜領域。該研究結(jié)果發(fā)表在ACS Photonics雜志上。

在光譜的短波紅外(SWIR)范圍內(nèi)工作的攝像頭會產(chǎn)生非常清晰的灰度圖像。這是因為這種光子探測芯片可以穿透雨、霧或陰霾，采集必要的光譜數(shù)據(jù)。另一方面，由于可見光被小水滴散射，這會在圖像上產(chǎn)生霧霾現(xiàn)象，從而限制了可見性和細節(jié)識別。因此，短波紅外攝像頭非常適合需要清晰視野的應用，例如航空安全或自動駕駛汽車。

可見光成像 vs. 短波紅外成像

然而，基于硅材料構(gòu)建的傳統(tǒng)紅外探測器芯片只能在有限的范圍內(nèi)對短波紅外進行成像。如果使用難以與硅基集成電路工藝兼容的化合物半導體材料，則使得它們在芯片集成變得復雜且昂貴。于利希研究中心Dan Buca博士評論道：“雖然已經(jīng)有攝像頭用于短波紅外成像，但是非常高的成本阻止了它們在日常生活中的廣泛應用。我們的新探測器芯片彌補了一個空白，其涵蓋了迄今為止還沒有高成本效益的短波紅外傳感器的光譜范圍。”

“與硅基集成電路工藝兼容的元素和合金的巧妙組合使得我們能夠利用標準制造設備，使用簡單的制造工藝生產(chǎn)紅外探測器。因此，我們的芯片量產(chǎn)成本非常低，可以像目前使用的可見光CMOS圖像傳感器一樣集成到任何智能手機之中?！盌an Buca博士表示。

新探測器的基礎材料是一層薄薄的硅，在頂部沉積了含有Ge(鍺)/GeSn(鍺錫)的半導體材料層，所有這些材料都與硅屬于元素周期表的同一主族。意大利米蘭理工大學Giovanni Isella教授說：“GeSn半導體是在于利希研究中心研發(fā)的，我與Dan Buca博士一起領導了該紅外探測器的開發(fā)工作?！?/p>

Giovanni Isella教授補充說：“我們花了將近10年的時間來為此優(yōu)化所有的材料參數(shù)和器件設計?，F(xiàn)在這些半導體層均可以使用現(xiàn)有技術在任何CMOS芯片工廠中制造。”這使得以具有成本效益的方式生產(chǎn)短波紅外探測器成為可能。由于該探測器的生產(chǎn)與硅基集成電路工藝兼容，因此其也可以毫無困難地集成到現(xiàn)有芯片上。此外，這些不同的半導體層可用于在攝像頭的光子芯片上實現(xiàn)單個像素——每個像素都能夠在不同的紅外光譜范圍內(nèi)捕獲數(shù)據(jù)。

該探測器的一個特點是可以接收兩個不同范圍的紅外光譜：近紅外和短波紅外。為此，只需反轉(zhuǎn)施加到探測器的偏置電壓，然后，探測器工作范圍就可以從近紅外切換到短波紅外?！巴ㄟ^這種方式，我們正在擴大紅外探測器的應用領域。”Giovanni Isella教授表示。

利用這款新型紅外探測器，人們可以根據(jù)物質(zhì)在近紅外和短波紅外范圍內(nèi)的不同吸收特性來區(qū)分它們。該研究團隊使用溶劑異丙醇和甲苯證明了這一點。借助可切換波長的紅外探測器，可以清楚地區(qū)分對人眼而言無色的液體。這不僅可用于化學實驗室，還可用于日常生活領域。

近紅外(NIR)/短波紅外(SWIR)成像可以區(qū)分異丙醇和甲苯

ACS Photonics雜志上發(fā)表的最新結(jié)果只是開發(fā)雙波段(近紅外/短波紅外)探測器全部應用潛力的第一步。該研究團隊正在努力實現(xiàn)該紅外探測器的商業(yè)化。