據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，德國亥姆霍茲聯(lián)合會(huì)下屬的研究機(jī)構(gòu)——于利希研究中心(Jülich Research Center)的科學(xué)家與意大利合作伙伴共同開發(fā)了一種新型紅外探測(cè)器，可以輕松集成到現(xiàn)有的相機(jī)和智能手機(jī)之中。這種與硅基集成電路工藝兼容的低成本紅外探測(cè)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(gè)光譜領(lǐng)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(huì)產(chǎn)生非常清晰的灰度圖像。這是因?yàn)檫@種光子探測(cè)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(huì)在圖像上產(chǎn)生霧霾現(xiàn)象，從而限制了可見性和細(xì)節(jié)識(shí)別。因此，短波紅外攝像頭非常適合需要清晰視野的應(yīng)用，例如航空安全或自動(dòng)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(cè)器芯片只能在有限的范圍內(nèi)對(duì)短波紅外進(jìn)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(dǎo)體材料，則使得它們?cè)谛酒勺兊脧?fù)雜且昂貴。于利希研究中心Dan Buca博士評(píng)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?cè)谌粘Ｉ钪械膹V泛應(yīng)用。我們的新探測(cè)器芯片彌補(bǔ)了一個(gè)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?！?/p>

“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(biāo)準(zhǔn)制造設(shè)備，使用簡單的制造工藝生產(chǎn)紅外探測(cè)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(jī)之中。”Dan Buca博士表示。

新探測(cè)器的基礎(chǔ)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(dǎo)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(xué)Giovanni Isella教授說：“GeSn半導(dǎo)體是在于利希研究中心研發(fā)的，我與Dan Buca博士一起領(lǐng)導(dǎo)了該紅外探測(cè)器的開發(fā)工作?！?/p>

Giovanni Isella教授補(bǔ)充說：“我們花了將近10年的時(shí)間來為此優(yōu)化所有的材料參數(shù)和器件設(shè)計(jì)。現(xiàn)在這些半導(dǎo)體層均可以使用現(xiàn)有技術(shù)在任何CMOS芯片工廠中制造?！边@使得以具有成本效益的方式生產(chǎn)短波紅外探測(cè)器成為可能。由于該探測(cè)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(dǎo)體層可用于在攝像頭的光子芯片上實(shí)現(xiàn)單個(gè)像素——每個(gè)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(cè)器的一個(gè)特點(diǎn)是可以接收兩個(gè)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(cè)器的偏置電壓，然后，探測(cè)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(kuò)大紅外探測(cè)器的應(yīng)用領(lǐng)域?！盙iovanni Isella教授表示。

利用這款新型紅外探測(cè)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(tuán)隊(duì)使用溶劑異丙醇和甲苯證明了這一點(diǎn)。借助可切換波長的紅外探測(cè)器，可以清楚地區(qū)分對(duì)人眼而言無色的液體。這不僅可用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，還可用于日常生活領(lǐng)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(cè)器全部應(yīng)用潛力的第一步。該研究團(tuán)隊(duì)正在努力實(shí)現(xiàn)該紅外探測(cè)器的商業(yè)化。