Mit InGaAs ins nahe Infrarot (DE)

Mit InGaAs ins nahe Infrarot (DE)

Die Bilderfassung im nahen Infrarot war lange der Wehrtechnik vorbehalten. Wegen der großen Kameras und der teuren Sensorkühlung kam ein breiter Einsatz in der Industrie nicht infrage. InGaAs als Detektormaterial, das nicht für jeden Einsatzfall gekühlt werden muss, macht das nahe Infrarot jetzt auch industriellen Applikationen zugänglich.

BOB GRIETENS

InGaAs-Sensoren sind hybride Komponenten, die aus dem eigentlichen InGaAs-Sensor-Array und einer CMOS Auswerteschaltung bestehen. Da mit NIR (Near Infrared, nahes Infrarot) auch CMOS oder CCD-Bauteile mit einiger Infrarotempfindlichkeit bezeichnet werden, bevorzugt der Autor den Begriff SWIR (Short-Wave Infrared, kurzwelliges Infrarot). Als wichtigste Leistungsmerkmale derartiger Sensoren mit InGaAs oder HgCdTe (engl.: MCT) als Detektormaterial gelten:

  • geringer Dunkelstrom, der hauptsächlich von der Breite der Bandlücke, der Qualität des Epitaxie-Materials, der Erzeugung der Dioden und vom ROIC-(Read-out-IC-) Design bestimmt wird, 
  • niedriges Rauschen, das von der Qualität der Fotodioden und der Ausleseschaltung abhängt,
  • hohe Auslesegeschwindigkeit, bedingt durch das ROIC-Layout, die Pixeltaktfrequenz und die Anzahl der Ausgänge,
  • hohe Empfi ndlichkeit, die von der Quanteneffi zienz (QE) des Materials und dem Verstärkungsfaktor des ROIC abhängt

Grundsätzlich lassen sich alle diese Parameter nicht gleichzeitig optimieren. So übertreffen moderne InGaAs-Sensoren die kurzwelligen MCT-Varianten in Bezug auf Dunkelstrom, Rauschen und Empfi ndlichkeit. Während sich standardmäßiges InGaAs bis 1,7 μm Wellenlänge verwenden lässt, kann MCT bis 2,5 μm auswerten – wie auch InGaAs mit unterschiedlicher Gitterkonstante. Dies bedeutet aber eine schmalere Bandlücke und mehr Strukturfehler im Kristallaufbau mit der nachteiligen Folge eines höheren Dunkelstroms und stärkeren Rauschens. Deshalb bietet Xenics in seinen FPA- (Focal-Plane-Array-) Kameras für die längeren Wellenlängen MCT-Arrays und keine InGaAs-Sensoren an. Für Zeilenkameras sind allerdings InGaAs-Versionen mit unterschiedlicher Gitterkonstante von Substrat und Sensormaterial erhältlich.
Für den wirtschaftlich erfolgreichen Einsatz von NIR/SWIR-Sensoren in InGaAs-Technologie sprechen noch weitere Gründe: Es ist keine oder lediglich thermoelektrische (TE-) Kühlung notwendig, die Kameras können sehr kompakt sein, preisgünstige Komponenten sind kommerziell verfügbar, und die Fertigung ist kostengünstig möglich.

Typische NIR/SWIR-Sensorformate

Für zweidimensionale FPA-Sensoren im SWIR sind fl ächige InGaAs-Bildaufnehmer mit 320 x 256 oder 640 x 512 Pixeln für ein breites Anwendungsspektrum verfügbar. Bei kurzwelligen MCT-Detektoren ist das gebräuchlichste Format für Hyperspektral-Anwendungen 320 x 256, während die Auflösungen 500 x 256 und 1000 x 256 Pixel weniger üblich sind. Darüber hinaus gibt es noch größere Formate, die aber vorzugsweise für Projekte in der Weltraumfahrt und in der Wehrtechnik von Interesse sind.
Neben dem spektralen Empfi ndlichkeitsbereich von InGaAs und MCT sind die Kosten und die Anwenderfreundlichkeit entscheidend, die eindeutig für InGaAs sprechen. Darüber hinaus ermöglicht InGaAs wegen seines niedrigeren Dunkelstroms längere Integrationszeiten, was die Einsatzbreite deutlich erhöht. In den letzten Jahren haben NIR/SWIR-Detektoren mit InGaAs entscheidende Fortschritte gemacht:

  • Hybridisierung – moderne Flip-Chip-Prozesse ermöglichten kleinere Pixelabmessungen, größere Bildformate und eine bessere Pixel-Ausbeute,
  • neue Verarbeitungstechniken für InGaAs führten zu geringeren Dunkelströmen, 
  • verbessertes ROIC-Design ermöglichte entweder niedriges Rauschen bzw. geringeren Dunkelstrom oder hochgeschwindigkeitsbetrieb,
  • das Empfindlichkeitsspektrum von InGaAs wurde auf kürzere Wellenlängen bis ins Sichtbare NIR oder SWIR-Bereich (0,4 bis 1,7 μm) ausgedehnt.

 

Spektral erweitert bis 2,5 μm

Um den Wellenlängenbereich auszudehnen, hat sich XenICs auf die Entwicklung von Sensoren in InGaAs- und MCT-Technologie konzentriert, die unterschiedliche Spektren von 0,9 bis 1,7 μm, 1,0 bis 2,2 μm und 1,0 bis 2,5 μm abdecken. Die Erweiterung bis 2,5 μm wird mittels Variation des Indium-Anteils im InGaAs erreicht. Mehr Indium verringert die Bandlücke und erweitert die Empfindlichkeit zu größeren Wellenlängen hin.
Allerdings ändert sich mit der Zusammensetzung des Mischkristalls auch seine Gitterkonstante. Die meisten Infrarotsensoren werden auf einem Substrat gefertigt, das die gleiche Gitterkonstante wie das Sensormaterial selbst aufweist. So dienen üblicherweise GaAs, InP, InAs, GaSb und InSb als Substrate für III-V-Verbindungen. Vor allem die Gitterkonstanten von InGaAs-Mischkristallen mit einer Grenzwellenlänge von 1,7 μm und InP stimmen gut überein. Um das Empfindlichkeitsspektrum zu erweitern, erfolgt die Epitaxie auf einem Substrat abweichender Gitterkonstante, entweder InP oder GaAs.

 

Die Verarbeitung von InGaAs

Die Herstellung von InGaAs-Sensoren mit erweitertem Empfi ndlichkeitsbereich erfordert spezifische Prozessschritte: Mittels metallorganischer Gasphasen-Epitaxie (MOCVD) wachsen üblicherweise dünne InGaAs-Schichten auf Substraten mit übereinstimmenden Kristallgitterkonstanten wie InP. Dieser Prozess findet auf ausbeutestarken Wafern mit bis zu 10 cm Durchmesser statt. Durch optische Lithografie festgelegte Öffnungen werden in die isolierende Glasschicht geätzt und bilden die Pixel-Elektroden. Nach dem Teilen des Wafers und dem Funktionstest erfolgt dann die Verbindung mit der Signalverarbeitungsschaltung.
Wie bei den CCD-Sensoren ist der Anschluss von InGaAs-Flächen-Sensoren nicht einfach, denn beide Technologien eignen sich nicht besonders gut für analoge und digitale Signalaufbereitungs- und Logikfunktionen. Während Ladungsgekoppelte Bauteile mit einem Minimum an externen Signalanschlüssen auskommen, werden InGaAs-Sensoren mit vielpoligen Flip-Chip-Verbindungen zwischen Sensor-Array und Anpassungsschaltung ausgerüstet. Damit sorgt die Stapelung von Sensor und ROIC übereinander für einen besonders kleinen aktiven Bereich, der für die Konstruktion kompakter Kameras von Vorteil ist. Diese funktionelle Kombination wird dann in einem Flachgehäuse mit NIRtransparentem Glasfenster ausgeliefert.
Zum Aufbau eines kompletten Kamerasystems wird dieses Subsystem um Optik, Verbinder und passende Software erweitert sowie bei Bedarf mit einem thermoelektrischen Kühlsystem (TE) ergänzt. Bild 1 zeigt die NIR-Kamera Xeva-2.5-320 mit TE4-Kühlung, die mit einer standardmäßigen Optik mit C-Fassung ausgestattet ist. Alternativ kann auch ein Spektrometer angefl anscht werden. Mit einem vierstufig thermoelektrisch gekühlten FPA und einer Aufl ösung von 320 x 256 Pixeln deckt diese Kamera den erweiterten Wellenlängenbereich
von 0,85 bis 2,5 μm ab. Ihre technischen Daten zeigt auszugsweise Tabelle A.

Typ Technologie Spektralbereich Auflösung Bildrate Datenbreite Kühlung
Xeva-1.7-320 InGaAs 0.9 - 1.7 μm 320 x 256 60 Hz
100Hz
350 Hz
12 bit
12 bit
14bit
TE1 to TE3
Xeva-1.7-640 InGaAs 0.9 - 1.7 μm 640 x 512 30 Hz
60 hz
90 Hz
14 bit TE1 to TE3
Xeva-2.5-320 HgCdTe (MCT) 0.85 - 2.5 μm 320 x 256 60 hz
100 Hz
14 bit TE4

Tabelle A: Technische Daten einiger NIR/SWIR-Kameras von Xenics

 

Die Evolution der Sensoren

Die linearen Arrays der ersten Generation wurden üblicherweise von der Vorderseite belichtet, wobei man den jeweiligen Detektorsignalausgang über Bonddrähte herausführt und außerhalb des luftleeren Gehäuses mit einem individuellen Vorverstärker auf Raumtemperatur verbindet, der eine Verstärkungsanpassung vornimmt. Dies begrenzte die Linear-Arrays der ersten Generation auf weniger als 200 Elemente. Die ein- und zweidimensionalen Arrays der zweiten Generation werden oft schon von der Rückseite her durch ein transparentes Substrat beleuchtet. Bild 2 stellt einige alternative FPA-Architekturen gegenüber.
Bild 2-1 zeigt ein Detektor-Array, das elektrisch mit einem Array von Vorverstärkern und/oder Schaltern auf der Readout-Ebene verbunden ist. Bumps aus Indium sorgen für einen weichen metallischen Kontakt für jedes Pixel. Dieser Typ eines direkten Hybriden kann eine große Anzahl von Pixeln mit individuellen Vorverstärkern verbinden, die ihrerseits mit Multiplexern für Reihe und Spalte ein sequenzielles Auslesen des Arrays gestatten.
Indirekte Hybrid-Konfi gurationen nach Bild 2-2 sind für große Linear-Arrays gebräuchlich, die auf ein Substrat mit gleichem Temperaturkoeffizienten montiert werden. Sie lassen sich auch für eine serielle Hybridisierung nutzen, bei der sich der Detektor vor der Übergabe an die Ausleseschaltung (Readout) testen lässt. Mit dieser Anordnung ist es möglich, auch komplexere Auslesezellen anzukoppeln, deren Fläche die Größe einer Detektorzelle übersteigt. Verbunden werden Detektoren und Ausleseschaltungen über metallische Leiterbahnen auf dem Fanout-Substrat.
Bei den monolithischen Sensor-Arrays nach Bild 2-3 mit integrierten Detektor- und Auslesefunktionen liegt die Signalverarbeitungseinheit neben dem Detektor-Array statt unterhalb und wird mit Drahtbonden angeschlossen. Dazu muss die Signalverarbeitungseinheit nicht auf dem gleichen Substrat (wie im Bild gezeigt) liegen oder sich auf gleicher Temperatur befinden. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise monolithische PtSi-Detektor-Arrays herstellen, deren Signalverarbeitung an der Peripherie des Detektor-/Readout-Chips integriert ist.
Die in Bild 2-4 dargestellte „Z-Technologie“ bietet durch Erweiterung der Struktur in orthogonaler Richtung für jedes Pixel eine wesentlich erweiterte Fläche für Signalverarbeitungsfunktionen. Gestapelte und gedünnte Auslese-Chips werden zusammengeklebt und das Detektor-Array mit Indium-Bumps mit der Kante dieses Signalverarbeitungs-Stapels verbunden.
Der „Loophole“-Ansatz nach Bild 2-5 schließlich dünnt das Detektormaterial, nachdem es mit der Ausleseschaltung in Si-Technologie verklebt wurde. Eine elektrische Verbindung der Detektorelemente mit der darunter liegenden Ausleseschaltung erfolgt über Vias, die durch das Detektormaterial geätzt wurden, zu Kontaktflächen auf dem Ausleseteil.

 

Fazit

InGaAs ermöglicht kompakte SWIR-Spektralkameras. Kommerziell verfügbare Sensor-Arrays haben dank InGaAs das kurzwellige Infrarot für die breitbandige Spektroskopie und Bildverarbeitung erschlossen. Ohne Kühlung decken sie Wellenlängen bis 1,7 μm ab, mit TE-Kühlung sogar bis 2,5 μm. Xenics erzeugt dünne InGaAs-Schichten auf unterschiedlichen InP-Substraten mit gleicher oder abweichender Gitterkonstante. Sensor und Auswerteschaltung werden
mithilfe einer kostengünstigen mehrpoligen Flip-Chip-Verbindung aufeinander gestapelt. Dieses Einbauverfahren erlaubt kompakte Kameras, die Spektrografie und monochrome Matrixfunktionen kombinieren. Zu den industriellen Anwendungen gehören die Messung von Feuchte oder der Verteilung von Oberflächenfilmen und Lacken oder Sortieraufgaben, wie die Trennung von Polymeren und natürlichen Stoffen. 

 

Bilder

  1. Die digitale NIR-Kamera Xeva-2.5-320 mit vierstufig thermoelektrisch gekühltem FPA und einer Auflösung von 320 x 256 Pixeln überstreicht den erweiterten NIR-Bereich von 0,85 bis 2,5 μm Wellenlänge
  2. Die Entwicklung der Sensoren, ihrer Ausleseschaltungen und der Signalverarbeitung hin zu monolithischen Strukturen
    1. Directhybrid
    2. Indirect hybrid
    3. Monolithic
    4. Z-Technology
    5. Loophole

 

Extreme compact size and low weight

Given the extremely compact size and low weight of the Xenics XS-1.7-320 SWIR camera it was extremely easy to integrate it into our existing optical setup.

University of Strathclyde