概念深讀：為什么近紅外（NIR）必須用 InGaAs？
為什么近紅外（NIR）必須用 InGaAs？
很多人第&一次接觸近紅外光譜儀，都會(huì)有一個(gè)直覺(jué)問(wèn)題：
為什么一過(guò) 1000 nm，儀器價(jià)格就陡然上升？
為什么近紅外幾乎“必須"用 InGaAs，而不是更便宜的硅（Si）？
答案并不在廠商，而在半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)本身。
這是一條由物理定律劃出的分水嶺。
從硅（Si）到 InGaAs：成本飆升的真正起點(diǎn)
理解這個(gè)問(wèn)題，只需要一個(gè)核心隱喻——
電子的“跳高"比賽。
探測(cè)器到底在“測(cè)"什么？
無(wú)論是 CCD、CMOS，還是 InGaAs，本質(zhì)都是一件事：
讓光子把電子從價(jià)帶“踢"到導(dǎo)帶，形成可讀出的電信號(hào)
可以把電子想象成被困在深坑里的運(yùn)動(dòng)員：
坑的深度 = 材料的帶隙能量（Eg）
光子能量 = 助跑與起跳的力量
只有跳出坑，探測(cè)器才“看得見(jiàn)"光。
硅（Si）：可見(jiàn)光的王&者，NIR 的終點(diǎn)
硅的帶隙：約 1.1 eV
對(duì)應(yīng)的截止波長(zhǎng)約為：
結(jié)果很直接：
可見(jiàn)光（>1.6 eV）
輕松起跳，信號(hào)清晰
近紅外光（如 1500 nm，對(duì)應(yīng) ~0.8 eV）
力量不夠，撞在坑壁上
結(jié)論：
超過(guò) 1100 nm，硅“物理性失明"
不是算法不行，也不是廠家偷工減料，而是電子根本跳不出來(lái)。
InGaAs：為近紅外而生的材料
標(biāo)準(zhǔn) InGaAs（In?.??Ga?.??As）的帶隙約為：
Eg ≈ 0.75 eV
截止波長(zhǎng) ≈ 1700 nm
這一次：1500 nm 光子（~0.8 eV）
剛好能跳出來(lái)
這就是 InGaAs 成為 NIR 探測(cè)“事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)"的根本原因。
暗電流：坑太淺，連“熱"都能把電子震出來(lái)
暗電流：坑太淺，連“熱"都能把電子震出來(lái)
InGaAs 的“淺坑"有一個(gè)嚴(yán)重副作用：
不僅光子能踢電子出來(lái)，環(huán)境熱量也可以
即使在完&全黑暗中：
電子也會(huì)被室溫?zé)峒ぐl(fā)
形成大量暗電流（Dark Current）
本質(zhì)上是噪聲
解決辦法只有一個(gè)：制冷
常規(guī) InGaAs：
TE 制冷到 -10 ~ -20°C否則：
信號(hào)會(huì)被噪聲徹&底淹沒(méi)
制造難度：從“沙子"到“精密外延藝術(shù)"
硅（Si）
來(lái)自沙子
工藝成熟、良率極&高
可做千萬(wàn)像素 CMOS
InGaAs
必須在 InP 襯底上外延生長(zhǎng)
對(duì)晶格匹配極其敏感
一點(diǎn)失配就產(chǎn)生位錯(cuò)和壞點(diǎn)
這就是為什么：
NIR 相機(jī)像素通常只有 256 / 512 / 1024，卻價(jià)格驚人
不是廠家不想做大，而是物理良率不允許。
如何從 1700 nm 突破到 2500 nm？
改變“配方"：銦含量決定極限波長(zhǎng)
標(biāo)準(zhǔn) InGaAs：
53% In + 47% Ga（完&美匹配 InP）擴(kuò)展型 InGaAs：
提高銦比例（可達(dá) ~80%）
結(jié)果：
帶隙進(jìn)一步減小
截止波長(zhǎng)延伸至 2.2–2.5 μm
代價(jià)：致命的晶格失配（Lattice Mismatch）
問(wèn)題來(lái)了：
銦多了 → 晶格變大
InP 襯底沒(méi)變
就像：
大腳硬穿小鞋
生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生：
位錯(cuò)
缺陷
漏電通道
后果：暗電流暴增
擴(kuò)展型 InGaAs 的暗電流通常：
比標(biāo)準(zhǔn)型 高 10–100 倍
不處理，圖像全是“雪花"
唯&一出路：深度制冷
標(biāo)準(zhǔn) InGaAs（1.7 μm）：
一級(jí) TE（~ -10°C）擴(kuò)展 InGaAs（2.5 μm）：
TE2 / TE3，多級(jí)制冷
-50°C 至 -80°C
這直接導(dǎo)致：
體積更大（散熱片）
功耗更高
成本成倍上升
總結(jié)
奧譜天成 InGaAs高光譜成像儀
近紅外不是“選擇 InGaAs"，而是“只能 InGaAs"
而 1700 nm 與 2500 nm 的差距，不是 800 nm 波長(zhǎng)，而是：
晶格失配
暗電流指數(shù)級(jí)上升
制冷與制造成本的斷崖
這不是市場(chǎng)問(wèn)題，而是半導(dǎo)體物理的邊界。
