量子效率介绍

图 1：典型背照式硅 CCD 和 InGaAs 传感器的 QE 曲线。在490-700 nm的波长范围内，可以显示超过90%的CCD QE。

相比之下，对于InGaAs传感器的960-1600 nm波长范围，可以显示超过80%的波长范围。材料(硅与InGaAs)的差异导致在截然不同的波长范围(分别为可见光与近红外)下实现高QE。

量子效率 (QE) 是成像设备可以转化为电子的入射光子的百分比。例如，如果一个传感器有 75% 的 QE 并暴露在 100 个光子下，它将能够转换为 75 个电子的信号。每种传感器技术的量化宽松都不同，高端科学传感器的量化宽松率达到 95%。然而，它是由被检测到的光的波长和半导体材料决定的。图 1 显示了背照式硅 CCD 传感器和 InGaAs 传感器之间的 QE 差异。

对于CCD、EMCCD、(em)ICCD和sCMOS技术，在某些波长范围内可以达到95%的QE，但可见光谱的近红光和紫外区域的光子具有较低的QE因此，传感器的效率会降低。为了改善这些地区的量化宽松，已经开发了深度耗尽传感器和涂层传感器，从而提高了量化宽松。

硅传感器

大多数科学传感器都是由硅制成的。由于量化宽松取决于材料，因此重要的是要了解该元素的特性以及它如何与光相互作用。

在高纯度晶体形式中，相邻的硅原子彼此共价键合。需要大于带隙能量的能量才能破坏这些键以产生电子/空穴对 (~1.1 eV)。入射光的波长与光子吸收深度直接相关;波长越短，穿透硅的深度越短。

深度耗尽硅传感器比传统的硅传感器更厚，因此能够检测更长波长的光(即 > 700 nm，NIR)。近红外光在硅中的穿透深度比典型的硅传感器更深，因此硅传感器对入射的近红外光实际上是透明的。深度耗尽硅传感器可在 700 – 850 nm 之间提供 >90% 的 QE，而传统硅传感器的 QE 为 >60%，如图 2 所示。

图 2：背照式 CCD 传感器、背照式深耗尽式 CCD 传感器和前照式 CCD 传感器的 QE 曲线。

为了进一步改善 QE，可以通过前照式或后照式设备来改变设备内传感器的方向(见图 2)。前照式器件的入射光通常通过并行寄存器的栅极进入传感器。这些栅极由非常薄的多晶硅制成，在长波长下是相当透明的，但在波长小于 400 nm 时变得不透明。因此，在短波长下，栅极结构会衰减入射光。

如果硅传感器均匀变薄，则图像可以聚焦在没有栅极结构的传感器后端。有关比较，请参见图 3。由于栅极结构没有光限制，背照式器件对光表现出很高的灵敏度，使 95% 的 QE 成为可能。

图 3：前照式和后照式技术的比较。入射光在照射到传感器之前必须穿过微透镜和金属线，从而降低最大量子效率。与背照式传感器相互作用的入射光首先照射到传感器上，因此器件的 QE 不会减少。

InGaAs传感器

只有当光子的能量高于材料的带隙能量或更短的波长时，半导体才会检测到光子。InGaAs传感器是由InAs和GaAs合金制成的半导体，传统的InGaAs传感器的InAs：GaAs比例为x：1-x。由于InGaAs不是天然存在的材料，因此必须在InP衬底上生长单晶。

InGaAs传感器通常具有比硅更低的带隙能量，这意味着它们能够检测更长的波长，例如短波红外(SWIR)区域(900-1700 nm)。因此，InGaAs相机在950-1600 nm区域内可以具有QE >80%。图4显示了典型InGaAs传感器的QE曲线。通过增加单晶内InAs的浓度，截止波长可以扩展到2600 nm。

图 4：InGaAs 传感器的典型 QE 曲线，显示 950 – 1600 nm 范围内的 QE >80%，使其成为近红外研究的理想传感器。

尽管 InGaAs 相机在 900 – 1700 nm 范围内具有高 QE，但随着器件的冷却，远端波长截止会降低。这通常每 10 个偏移 8 nmo冷却的 C。这意味着最大限度地提高光子进入器件的吞吐量非常重要，但是这种远端截止的偏移可能是有利的，因为它允许传感器充当“可调谐”低通滤波器。图5显示了远端截止如何随着温度的降低而变化。

图 5：当器件冷却时，InGaAs 的远端截止波长会向蓝色移动。通常，远端波长每 8 nm 偏移10oC冷却。

总结

QE是衡量设备将入射光子转换为电子的有效性的指标。QE波长不仅取决于传感器材料，还取决于传感器材料。如果入射光子的能量高于半导体的带隙能量，传感器将检测到入射光子。这就是为什么硅在 500-600 nm 之间具有 95% 的 QE，但对于更长的红外/更短的紫色波长具有较低的 QE，但 InGaAs 在 SWIR 范围 (900 – 1700 nm) 上具有高 QE，而不是可见光区域或中红外波长范围 (>1700 nm)。

审核编辑 黄宇