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德国于利希研究中心，意大利米兰理工大学的研究人员起开发了一种特别经济高效的红外探测器，可以接收两个不同范围的红外光谱，近红外 (NIR) 和短波红外 (SWIR)，以前传统光电二极管无法覆盖这些范围。该技术可以轻松集成到现有的相机芯片和智能手机中。研究结果发表在 ACS Photonics 杂志上。
图注：溶液异丙醇和甲苯在肉眼看来是透明的。在 NIR 和 SWIR 范围内，不同的部分被吸收，结合起来可以做出精确的判断。
在短波红外（SWIR）中，世界看起来更加清晰：在这一光谱范围内工作的摄像机产生的灰度图像通常非常清晰。这是因为这样的照片芯片可以简单地透过雨、雾或薄雾看到。另一方面，可见光被空气中的小水滴散射，这会在图像中创建面纱，从而限制可见性和细节识别。但是，当在SWIR范围内出现灯光时，此效果不起作用。因此，此类摄像机非常适合需要清晰视野的应用，例如航空安全或自动驾驶车辆。
然而，由硅制成的传统相机芯片只能在非常有限的范围内成像SWIR范围。已经有其他摄像机用于这些目的。然而，它们非常昂贵的成本使得它们无法在日常生活中使用。使用难以与硅制成的标准电路结合的材料，使其集成在芯片中变得复杂，因此成本高昂贵。因此，随着对高光谱灵敏度、室温操作、CMOS 兼容设备的需求不断增长，红外 (IR) 多光谱检测引起了越来越多的兴趣。
这里，研究人员提出了一个两端双波段探测器，它在两个不同的红外波段提供偏置可切换的光谱响应，以前传统光电二极管无法覆盖这些范围。这是由两个p-i-n光电二极管垂直集成而成的双频GeSn/Ge/Si探测器，外延生长在 Si 晶片上。光响应可以通过反转近红外波段和短波红外波段之间的偏置极性来切换，即1.05和2.45μm（NIR-SWIR）之间的波长范围内调谐，比探测率分别为 1.9 × 10^10 和 4.0 × 10^9 cm·(Hz)^1/2/W。
一层薄薄的硅，计算机芯片的标准材料，作为新探测器的基础。在顶部沉积含有锗和锗锡元素的更多层半导体材料，所有这些材料都与硅在周期表的同一主族中。GeSn/Ge/Si 探测器完全基于 IV 族半导体，具有优异的性能和品质因数，可在 NIR 和 SWIR 中与单波段设备相媲美。此外，通过使用热电冷却器可以实现相关的暗电流降低，从而提高性能。该设备的结构挑战了具有固定光谱响应的传统图像传感器，允许在像素级的两个不同光带上进行电压可调操作，从而提供自对准 NIR/SWIR 成像器。连续电压调谐与探测器的非线性光响应相结合，为光谱分析提供了一种新的方法，通过识别单色光束的波长进行了证明。
锗锡半导体是在于利希研究中心开发的，优化所有材料参数和设备设计花了近10年时间。但现在这些半导体层可以在任何芯片厂使用现有技术制造。这使得以成本效益高的方式生产它们成为可能。因为它们是基于硅的，所以它们也可以集成到现有的芯片上，而不会有太大的困难。
该新型探测器填补了一个空白，因为它涵盖了迄今为止还并没有性价比高的传感器的光谱范围。与硅相容的元素和合金的智能组合现在使我们能够使用标准工业工具使用简单的制造过程。因此，现在能够构建非常便宜的摄像头芯片，可以集成到任何智能手机中，就像目前使用的可视摄像头一样。
此外，这些不同的半导体层可用于在数码相机的照片芯片上产生单个像素，并且每个像素能够在不同的红外光谱范围内捕获相同的图像。这使得一些物体以一种完全不同的光线出现。例如，在绘画作品中，我们可以使用Ge GeSn像素来观察绘画层，看看艺术家是如何构图的，或者下面是什么。某些用作钞票防伪特征的墨水在红外线下看起来会消失。因此，可以使用该检测器轻松检查钞票的真实性。
探测器的一个特点是它能接受两个不同的红外光谱范围。为此，只有施加在检测器上的偏置电压必须反向。然后，组件从近红外（NIR）切换到短波红外（SWIR）。这样扩大了传感器的应用领域。 通过这种方式，可以根据物质在近红外和SWIR范围内的不同吸收特性来区分它们。该团队使用溶剂异丙醇和甲苯证明了这一点。由于可切换的探测器，人眼可以清楚地分辨无色的液体。这不仅用于化学实验室，也用于实际应用。
ACS光子学的研究结果只是充分利用NIR/SWIR双波段探测器应用潜力的第一步。研究团队下一步是实现商业产品。
