為什么說量子效率是圖像傳感器的重要指標？如何提高QE？
http://www.debgrams.com 2022-03-28 08:34 來源：鏡頭網
量子效率是什么？
量子效率 (QE) 是指成像設備可以轉換成電子的入射光子的百分比 。例如，如果一個圖像傳感器有 75% 的 QE 并暴露在 100 個光子下，它將能夠轉換為 75 個電子信號。
每種傳感器技術的 QE 都不同，高端圖像傳感器達到 95% 的 QE。但是，它是由被檢測光的波長和 半導體材料決定的。對于CCD、EMCCD、(em)ICCD 和sCMOS技術，在某些波長范圍內可能達到 95% 的 QE，但可見光譜中近紅色和紫外區域的光子具有較低的 QE，因此傳感器的效率較低。為了改善這些區域的 QE，已經開發了Deep-depleted硅傳感器和涂層傳感器，從而增加了 QE。
硅傳感器
大多數圖像傳感器都是由硅制成的。由于 QE 取決于材料，該元素的特性以及它如何與光相互作用非常重要。
在高純度晶體形式中，相鄰的硅原子彼此共價鍵合。打破這些鍵以產生電子/空穴對（~1.1 eV）需要大于帶隙能量的能量。入射光的波長與光子吸收深度直接相關；波長越短，進入硅的深度越短。
Deep-depleted硅傳感器比傳統的硅傳感器更厚 ，因此能夠檢測更長波長的光（即 > 700 nm，NIR）。NIR 光在硅中的穿透深度比典型的硅傳感器更深，因此在沒有深度耗盡的情況下，硅傳感器對入射的 NIR 光有效透明。如下圖所示，Deep-depleted硅傳感器在 700 – 850 nm 范圍內可提供 >90% 的 QE，而傳統硅傳感器可提供 >60% 的 QE。
為了進一步改善 QE，可以通過前照式或背照式設備來改變設備內傳感器的方向。前照式設備的入射光通常通過并行寄存器的門進入傳感器。這些柵極由非常薄的多晶硅組成，在長波長下相當透明，但在短于 400 nm 的波長下變得不透明。因此，在短波長下，柵極結構會衰減入射光。
如果硅傳感器均勻變薄，圖像可以聚焦在沒有柵極結構的傳感器后端。由于柵極結構沒有光限制，背照式器件對光表現出高靈敏度，使 95% 的 QE 成為可能。采用前照式技術的圖像傳感器，入射光在撞擊傳感器之前必須穿過微透鏡和金屬線，從而降低了最大量子效率。背照式圖像傳感器的入射光首先會照射傳感器，因此設備的 QE 不會降低。
InGaAs 傳感器
只有當光子具有比材料的帶隙能量更高或更短的波長時，半導體才會檢測到光子。InGaAs 傳感器是由 InAs 和 GaAs 的合金制成的半導體，傳統的 InGaAs 傳感器具有 x:1-x 的 InAs:GaAs 比率。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 傳感器的帶隙能量通常低于硅，這意味著它們能夠檢測更長的波長，例如短波紅外 (SWIR) 區域 (900-1700 nm)。因此，InGaAs 攝像頭在 950-1600 nm 區域內的 QE > 80%。顯示了典型 InGaAs 傳感器的 QE 曲線。通過增加單晶內 InAs 的濃度，截止波長可以擴展到 2600 nm。
盡管 InGaAs 相機在 900 – 1700 nm 范圍內具有高 QE，但遠端波長截止會隨著設備冷卻而降低。每冷卻 10 攝氏度，這通常會偏移 8 納米。這意味著最大化進入設備的光子吞吐量很重要，但是遠端截止的這種轉變可能是有利的，因為它允許傳感器充當“可調”低通濾波器。
總結
QE 是衡量設備在將入射光子轉換為電子方面的有效性的指標。不僅 QE波長取決于，它還取決于傳感器材料。
如果能量高于半導體帶隙能量，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，但對于較長的紅外/較短的紫光波長具有較低的 QE，而 InGaAs 在 SWIR 范圍（900-1700 nm）上具有高 QE，而不是可見區域或中紅外波長范圍（> 1700 nm）。
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