可与相机芯片集成的双波段红外探测器

德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和米兰理工大学的科学家们开发了一种红外探测器，该探测器可使用压控开关控制两个不同的红外波段的光谱响应：当探测器的偏置电压反转时，器件可从近红外波段切换到短波红外波段。这种硅基的双波段光电探测器可集成到现有的相机芯片和智能手机上。

探测器基底是一层薄硅层，硅层上沉积有含锗和锗锡的半导体材料层，垂直方向上形成锗锡-锗-硅堆叠结构，在硅晶片上向外延生长。硅、锗和锡的组合即拓宽了探测器的光谱操作范围，又保留了硅材料的优势，可谓一举两得。双波段锗锡-锗-硅探测器的光谱响应可通过改变偏置电压的极性，在1.05~2.45微米（近红外到短波红外光）波长范围内进行调节。

探测器能在像素级压控两个光学波段，因此每个像素都能够在不同红外光谱范围内捕获同一图像。这种一次照明同时提供近红外和短波红外之间切换的能力，可以捕捉到仅从一个波长波段无法获得的信息。米兰理工大学Giovanni Isella教授说：“以油画为例，我们可以借助探测器的锗锡-锗像素穿透油画层，揭示表层画面下的秘密，从而分析出画家创作这幅画的过程。”

探测器的双波段也可用于鉴别纸币上使用的特殊墨水；这类墨水在红外线下会消失。

为了证明该设备能够检测具有相同像素的两个光谱波段，研究人员使用异丙醇和甲苯进行了溶剂检测测试。这两种溶剂肉眼下都是无色的，但在近红外和短波红外光下，双频探测器可以根据两种溶剂吸收特性的不同来区分这两种物质。

图1 异丙醇、甲苯液体肉眼看上去都是透明的；然而在近红外和短波红外光下，由于两种溶剂对近红外和短波红外光的吸收不同，两者之间呈现出非常明显的差异

传统的硅基相机芯片只能在有限的范围内对短波红外范围进行成像，而专门用于短波红外成像的相机，其材料通常难以与标准硅电路集成。德国于利希研究中心的研究人员Dan Buca说：“尽管也有其他专用于短波红外成像的相机，但大都成本很高，因此无法在日常生活中使用。我们所研发的探测器填补了这一空白，就其覆盖的光谱范围来说，堪称迄今为止最高性价比的传感器。”

研究人员花了近10年的时间来优化该设备的所有材料参数和设计，致力于使任何芯片工厂都可以使用现有技术生产出具有成本效益的双波段、红外、半导体探测器。因为该设备是硅基，因此可以很方便的集成到现有芯片上。

图2 在德国于利希研究中心开发的短波红外探测器下，隐藏字母在近红外和短波红外范围下无所遁形

Buca说：“与硅兼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的简单制造过程。因此，我们现在能够制造非常便宜的摄像头芯片，可以集成到任何智能手机上，就像目前使用的可视摄像头芯片一样。”

光谱的近红外和SWIR区域提供了在可见(VIS)范围内操作的相机无法获取的丰富信息。与VIS相比，SWIR在高散射介质(如雨、雾或烟雾)中具有更长的穿透深度，能够在恶劣天气条件下增强能见度，使用户能够估计距离和定位障碍。这些功能对于自动驾驶、航空、安全、医疗和环境监测应用都很重要。

研究负责人Buca和Isella及其分别带领的团队将继续合作，致力于实现商业化的双频近红外/SWIR探测器。

此项研究发表于ACS Photonics （www.doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00617）。