德国研发新型红外探测器实现NIR/SWIR双波段成像

据麦姆斯咨询报道，德国亥姆霍兹联合会下属的研究机构——于利希研究中心(Jülich Research Center)的科学家与意大利合作伙伴共同开发了一种新型红外探测器，可以轻松集成到现有的相机和智能手机之中。这种与硅基集成电路工艺兼容的低成本红外探测器可以感知近红外和短波红外辐射，而以前传统的硅基光电二极管无法覆盖这两个光谱领域。该研究结果发表在ACS Photonics杂志上。

在光谱的短波红外(SWIR)范围内工作的摄像头会产生非常清晰的灰度图像。这是因为这种光子探测芯片可以穿透雨、雾或阴霾，采集必要的光谱数据。另一方面，由于可见光被小水滴散射，这会在图像上产生雾霾现象，从而限制了可见性和细节识别。因此，短波红外摄像头非常适合需要清晰视野的应用，例如航空安全或自动驾驶汽车。

可见光成像 vs. 短波红外成像

然而，基于硅材料构建的传统红外探测器芯片只能在有限的范围内对短波红外进行成像。如果使用难以与硅基集成电路工艺兼容的化合物半导体材料，则使得它们在芯片集成变得复杂且昂贵。于利希研究中心Dan Buca博士评论道：“虽然已经有摄像头用于短波红外成像，但是非常高的成本阻止了它们在日常生活中的广泛应用。我们的新探测器芯片弥补了一个空白，其涵盖了迄今为止还没有高成本效益的短波红外传感器的光谱范围。”

“与硅基集成电路工艺兼容的元素和合金的巧妙组合使得我们能够利用标准制造设备，使用简单的制造工艺生产红外探测器。因此，我们的芯片量产成本非常低，可以像目前使用的可见光CMOS图像传感器一样集成到任何智能手机之中。”Dan Buca博士表示。

新探测器的基础材料是一层薄薄的硅，在顶部沉积了含有Ge(锗)/GeSn(锗锡)的半导体材料层，所有这些材料都与硅属于元素周期表的同一主族。意大利米兰理工大学Giovanni Isella教授说：“GeSn半导体是在于利希研究中心研发的，我与Dan Buca博士一起领导了该红外探测器的开发工作。”

Giovanni Isella教授补充说：“我们花了将近10年的时间来为此优化所有的材料参数和器件设计。现在这些半导体层均可以使用现有技术在任何CMOS芯片工厂中制造。”这使得以具有成本效益的方式生产短波红外探测器成为可能。由于该探测器的生产与硅基集成电路工艺兼容，因此其也可以毫无困难地集成到现有芯片上。此外，这些不同的半导体层可用于在摄像头的光子芯片上实现单个像素——每个像素都能够在不同的红外光谱范围内捕获数据。

该探测器的一个特点是可以接收两个不同范围的红外光谱：近红外和短波红外。为此，只需反转施加到探测器的偏置电压，然后，探测器工作范围就可以从近红外切换到短波红外。“通过这种方式，我们正在扩大红外探测器的应用领域。”Giovanni Isella教授表示。

利用这款新型红外探测器，人们可以根据物质在近红外和短波红外范围内的不同吸收特性来区分它们。该研究团队使用溶剂异丙醇和甲苯证明了这一点。借助可切换波长的红外探测器，可以清楚地区分对人眼而言无色的液体。这不仅可用于化学实验室，还可用于日常生活领域。

近红外(NIR)/短波红外(SWIR)成像可以区分异丙醇和甲苯

ACS Photonics杂志上发表的最新结果只是开发双波段(近红外/短波红外)探测器全部应用潜力的第一步。该研究团队正在努力实现该红外探测器的商业化。