量子效率是什么？

　　量子效率 (QE) 是指成像設(shè)備可以轉(zhuǎn)換成電子的入射光子的百分比 。例如，如果一個(gè)圖像傳感器有 75% 的 QE 并暴露在 100 個(gè)光子下，它將能夠轉(zhuǎn)換為 75 個(gè)電子信號(hào)。

　　每種傳感器技術(shù)的 QE 都不同，高端圖像傳感器達(dá)到 95% 的 QE。但是，它是由被檢測(cè)光的波長(zhǎng)和 半導(dǎo)體材料決定的。對(duì)于CCD、EMCCD、(em)ICCD 和sCMOS技術(shù)，在某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)可能達(dá)到 95% 的 QE，但可見(jiàn)光譜中近紅色和紫外區(qū)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(qū)域的 QE，已經(jīng)開(kāi)發(fā)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(shù)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(jià)鍵合。打破這些鍵以產(chǎn)生電子/空穴對(duì)（~1.1 eV）需要大于帶隙能量的能量。入射光的波長(zhǎng)與光子吸收深度直接相關(guān)；波長(zhǎng)越短，進(jìn)入硅的深度越短。

　　Deep-depleted硅傳感器比傳統(tǒng)的硅傳感器更厚 ，因此能夠檢測(cè)更長(zhǎng)波長(zhǎng)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(méi)有深度耗盡的情況下，硅傳感器對(duì)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(nèi)可提供 >90% 的 QE，而傳統(tǒng)硅傳感器可提供 >60% 的 QE。

　　為了進(jìn)一步改善 QE，可以通過(guò)前照式或背照式設(shè)備來(lái)改變?cè)O(shè)備內(nèi)傳感器的方向。前照式設(shè)備的入射光通常通過(guò)并行寄存器的門(mén)進(jìn)入傳感器。這些柵極由非常薄的多晶硅組成，在長(zhǎng)波長(zhǎng)下相當(dāng)透明，但在短于 400 nm 的波長(zhǎng)下變得不透明。因此，在短波長(zhǎng)下，柵極結(jié)構(gòu)會(huì)衰減入射光。

　　如果硅傳感器均勻變薄，圖像可以聚焦在沒(méi)有柵極結(jié)構(gòu)的傳感器后端。由于柵極結(jié)構(gòu)沒(méi)有光限制，背照式器件對(duì)光表現(xiàn)出高靈敏度，使 95% 的 QE 成為可能。采用前照式技術(shù)的圖像傳感器，入射光在撞擊傳感器之前必須穿過(guò)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(huì)照射傳感器，因此設(shè)備的 QE 不會(huì)降低。

　　InGaAs 傳感器

　　只有當(dāng)光子具有比材料的帶隙能量更高或更短的波長(zhǎng)時(shí)，半導(dǎo)體才會(huì)檢測(cè)到光子。InGaAs 傳感器是由 InAs 和 GaAs 的合金制成的半導(dǎo)體，傳統(tǒng)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(zhǎng)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(cè)更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如短波紅外 (SWIR) 區(qū)域 (900-1700 nm)。因此，InGaAs 攝像頭在 950-1600 nm 區(qū)域內(nèi)的 QE > 80%。顯示了典型 InGaAs 傳感器的 QE 曲線。通過(guò)增加單晶內(nèi) InAs 的濃度，截止波長(zhǎng)可以擴(kuò)展到 2600 nm。

　　盡管 InGaAs 相機(jī)在 900 – 1700 nm 范圍內(nèi)具有高 QE，但遠(yuǎn)端波長(zhǎng)截止會(huì)隨著設(shè)備冷卻而降低。每冷卻 10 攝氏度，這通常會(huì)偏移 8 納米。這意味著最大化進(jìn)入設(shè)備的光子吞吐量很重要，但是遠(yuǎn)端截止的這種轉(zhuǎn)變可能是有利的，因?yàn)樗试S傳感器充當(dāng)“可調(diào)”低通濾波器。

　　總結(jié)

　　QE 是衡量設(shè)備在將入射光子轉(zhuǎn)換為電子方面的有效性的指標(biāo)。不僅 QE波長(zhǎng)取決于，它還取決于傳感器材料。

　　如果能量高于半導(dǎo)體帶隙能量，傳感器將檢測(cè)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(duì)于較長(zhǎng)的紅外/較短的紫光波長(zhǎng)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(jiàn)區(qū)域或中紅外波長(zhǎng)范圍（> 1700 nm）。