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InGaAs-Avalanche-Photodioden für bildgebende Verfahren im kurzwelligen Infrarot

 
: Kleinow, P.
: Ambacher, O.; Koos, C.

Freiburg, 2016, 133 pp.
Freiburg, Univ., Diss., 2016
German
Dissertation
Fraunhofer IAF ()
IMTEK; InGaAs; kurzwelliges Infrarot; SWIR; avalanche photodiode; Detektor; APD; Bildgebung

Abstract
Hochempfindliche InGaAs-Detektoren für das kurzwellige Infrarot (SWIR) bieten zahlreiche interessante Eigenschaften, die in Anwendungen der industriellen Prozesskontrolle oder auch in der Verteidigungs- und Sicherheitstechnik vorteilhaft eingesetzt werden können. Hergestellt als hochauflösendes Detektor-Array für ein bildgebendes Verfahren lassen sich beispielsweise Nachtsichtgeräte realisieren, welche das natürliche night-glow als Beleuchtungsquelle nutzen können. Durch den Einsatz von Infrarot-LEDs oder -Lasern um 1,55 um Wellenlänge lassen sich geschlossene Räume ausleuchten oder weit entfernte Objekte gezielt beleuchten oder markieren. Besonders schnelle und empfindliche Detektoren können aus der Laufzeit eines gepulsten Lasersignals präzise Entfernungsinformationen extrahieren. Dabei dringt kurzwellige Infrarotstrahlung im Vergleich zu sichtbarem Licht um ein Vielfaches besser durch Nebel oder Rauch und die verhältnismäßig große Bandlücke der InGaAs-Detektoren ermöglicht den Betrieb bei moderater Kühlung oder gar bei Raumtemperatur. Da bei allen genannten Anwendungen mit sehr schwachen optischen Signalen zu rechnen ist, sind Lawinenphotodioden (APDs) mit ihrer internen Signalverstärkung hierfür bestens geeignet.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung eines hochauflösenden Detektor- Arrays basierend auf InGaAs/InAlAs-APDs zum Einsatz in einer empfindlichen Infrarotkamera für den SWIR-Bereich. Auf diese Weise sollte die interne Signalverstärkung der APDs direkt auf Kamerachip-Level nutzbar gemacht werden. Die größte Herausforderung dabei stellte die Realisierung der niedrigen Betriebsspannung der APDs von etwa 20V bei gleichzeitig niedrigem Dunkelstrom dar. Durch die konsequente Weiterentwicklung von InGaAs/InAlAs-APD-Strukturen konnte im Rahmen dieser Arbeit das mit 640 × 512 Pixeln erste hochauflösende In- GaAs/InAlAs-APD-Array demonstriert werden. Im Kamerabetrieb wurde eine Verstärkung von bis zu 8,5 auf Kamerachip-Level erreicht. Das APD-Array wurde bei Temperaturen von bis zu 260K betrieben, was sich in einem kompakten Kameraaufbau bereits mit einer moderaten Kühlung durch thermoelektrische Bauelemente ermöglichen ließe. Bandkanten- und Monte-Carlo-Simulationen sowie die elektrooptische Charakterisierung einer Vielzahl von APDs haben dabei geholfen, die gradingund charge-Schichten der APD-Struktur entscheidend zu verbessern. Die optimierten APDs zeigen bereits bei 18,5V eine Verstärkung von 10 und weisen dabei eine Dunkelstromdichte von nur 2,5•10?4 A/cm2 auf. Das ist die niedrigste Betriebsspannung, die bei gleichzeitig geringem Dunkelstrom im InGaAs/InAlAs- und auch im InGaAs/InP-Materialsystem bisher veröffentlicht wurde.

 

High-sensitivity InGaAs-detectors for the short-wave infrared (SWIR) reveal a number of interesting properties which can be beneficially used in industrial process control or in defense and security applications. Manufactured as a high-resolution detector-array for an imaging technique, night-vision devices can be built to detect the natural night-glow radiation. Using infrared LEDs or lasers around 1.55 ?m wavelength, enclosed areas or remote objects can be illuminated or targeted. Furthermore, an exact distance information can be calculated from the time-of-flight of a pulsed laser signal using high-bandwidth and high-sensitivity detectors. Compared to visible light, short-wave infrared radiation enables a significantly improved vision through fog or smoke. Thanks to the relatively large bandgap of InGaAs, the devices can be operated with moderate or even without any cooling. Since for all these applications a very low photon flux has to be expected, avalanche-photodiodes (APDs) with an internal signal amplification are beneficial.
The aim of this work was to build a high-resolution detector-array based on InGa- As/InAlAs-APDs for a high-sensitivity SWIR-camera. This way the internal signal amplification of the APDs can be utilized on camera-chip level. Here, the most challenging task was to realize an operating-voltage of the APDs below 20V bias and simultaneously a very low dark current.
Due to consequent optimization of InGaAs/InAlAs-APD-structures, the first high resolution InGaAs/InAlAs-APD-array with 640 × 512 pixels could be demonstrated within this work. Implemented in a camera-setup, a gain of up to 8.5 on camera chip level could be achieved. The high operating-temperature of up to 260K can basically be realized with moderate cooling using thermoelectric devices. Bandedge and Monte-Carlo-simulations as well as electro-optical characterization of a variety of APDs enabled a significant optimization of the grading- and charge-layers of the APD structure. The optimized APDs reveal a gain of 10 at 18.5V whereas the dark-current density is as low as 2.5•10 -4 A/cm(2). This represents the lowest operating-voltage with a simultaneous low dark current, which has been published for the InGaAs/InAlAs and the InGaAs/InP-material system so far.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-414989.html