Wie Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) die Kurzwellige-Infrarot-(SWIR)-Sensorik verbessert

Sensorik im kurzwelligen Infrarotbereich (Wellenlängen von 0,9 bis 1,7 Mikrometern) wurde durch die Entwicklung von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) Sensoren praxistauglich. Sensors Unlimited, Inc., ein Teil von Collins Aerospace, spezialisiert sich auf die Fertigung von InGaAs eindimensionalen Lineararrays, zweidimensionalen Focal-Plane-Array-Kameras und SWIR-Systemen. Aber warum überhaupt SWIR nutzen?

Grundlagen: SWIR-Licht ist reflektiv wie sichtbares Licht

Zuerst eine Grundtatsache: Licht im SWIR-Band ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Das sichtbare Spektrum reicht von 0,4 µm (Blau, fast Ultraviolett) bis 0,7 µm (tiefes Rot). Längere Wellenlängen können nur mit dedizierten Sensoren wie InGaAs gesehen werden. Obwohl SWIR-Licht für das Auge unsichtbar ist, interagiert es mit Objekten ähnlich wie sichtbare Wellenlängen. SWIR-Licht ist reflektiertes Licht; es wird von Objekten reflektiert wie sichtbares Licht.

Durch seine reflektive Natur haben SWIR-Bilder Schatten und Kontrast. Bilder einer InGaAs-Kamera sind in Auflösung und Detail mit schwarz-weißen Sichtbildern vergleichbar. Dies macht Objekte leicht erkennbar und liefert einen taktischen Vorteil von SWIR: Objekt- oder Personenerkennung. Das macht InGaAs interessant – aber was macht es nützlich?

Was InGaAs nützlich macht

InGaAs-Sensoren können extrem empfindlich gemacht werden, buchstäblich einzelne Photonen zählend. Als Focal-Plane-Array gebaut – mit Tausenden oder Millionen winziger Punktsensoren oder Sensorpixeln – funktionieren SWIR-Kameras in sehr dunklen Bedingungen. Nachtsichtgeräte gibt es seit Jahrzehnten und arbeiten durch Erfassen und Verstärken reflektierten Sternenlichts oder anderen Umgebungslichts in Bildverstärkerröhren (I²). Diese Technologie funktionierte gut für direkte Nachtsichtbrillen. Wenn ein Bild jedoch an einen entfernten Ort gesendet werden muss (z. B. ein Geheimdienstzentrum), gibt es keine praktische Methode ohne Zuverlässigkeits- und Empfindlichkeitsbegrenzungen (z. B. I²CCD). Da alle SWIR-Sensoren von SUI Licht in elektrische Signale umwandeln, sind sie inhärent für Speicherung oder Übertragung geeignet.

Die Nutzung von SWIR bei Nacht hat einen weiteren großen Vorteil. Ein atmosphärisches Phänomen namens Nachthimmelsstrahlung emittiert fünf- bis siebenmal mehr Beleuchtung als Sternenlicht, fast alles im SWIR-Wellenlängenbereich. Mit einer SWIR-Kamera und dieser Nachstrahlung – oft Nightglow genannt – können wir Objekte an mondlosen Nächten mit großer Klarheit „sehen“ und diese Bilder über Netzwerke teilen, wie es keine andere Bildgebungstechnologie kann.

Gibt es nicht andere Kameras, die im SWIR-Bereich arbeiten? Ja. Sensoren aus Materialien wie Quecksilber-Cadmium-Tellurid (HgCdTe) oder Indium-Antimonid (InSb) können im SWIR-Band sehr empfindlich sein. Um jedoch ihr Signal-Rausch-Verhältnis auf nutzbare Level zu bringen, müssen diese Kameras kryogen gekühlt werden. Im starken Kontrast dazu kann ähnliche Empfindlichkeit bei Raumtemperatur mit einer InGaAs-Kamera erreicht werden.

Im Wesentlichen können InGaAs-Kameras klein sein, sehr wenig Strom verbrauchen, aber große Ergebnisse liefern. Sensors Unlimited InGaAs-Kameras bieten VGA-Auflösung in einem winzigen 1,25″ × 1,25″ × 1,10″ Gehäuse und nur 1,5 W Leistungsaufnahme im Steady State. Auch HD (1 Megapixel) Auflösung in einem 2″ × 2″ × 2,43″ Gehäuse mit ≤ 3,0 W Steady-State-Leistung.

SWIR und Thermografie

Thermografiekameras sind eine weitere Kameraklasse mit exzellenten Detektionsfähigkeiten. Diese ergänzen SWIR-Bildgebung in vielen Anwendungen. Während Thermografen warme Objekte vor kühlem Hintergrund detektieren können, liefert ein SWIR-Imager Erkennung und Identifikation sowie Tiefenwahrnehmung mit Kontrast und Schatten.

Bildgebung durch Glas

Schließlich ein großer Vorteil von SWIR-Bildgebung, den keine andere Technologie bietet: die Fähigkeit, durch Glas zu bildgebenden. Diese Kameras können konventionelle, kosteneffektive Objektive für sichtbare Kameras für alle bis auf die anspruchsvollsten Anwendungen nutzen. Spezielle teure Optiken oder umgehärtete Gehäuse sind meist unnötig, was sie für viele Anwendungen und Branchen verfügbar macht. Dies erlaubt auch, die SWIR-Kamera hinter einem schützenden Glasfenster zu montieren, was zusätzliche Flexibilität bei der Positionierung in gefährlichen Umgebungen bietet.

Zusammenfassung: Warum SWIR?

• Hohe Empfindlichkeit
• Hohe Auflösung
• Nightglow (Nachthimmelsstrahlung)
• Tag-zu-Nacht-Bildgebung
• Verdeckte Beleuchtung
• Erkennung verdeckter Laser und Baken
• Keine kryogene Kühlung nötig
• Konventionelle, kostengünstige Objektive für sichtbares Spektrum
• Kleine Baugröße
• Geringer Stromverbrauch

Was ist InGaAs?

InGaAs, oder Indium-Gallium-Arsenid, ist eine Legierung aus Galliumarsenid und Indiumarsenid. Allgemeiner gehört es zum InGaAsP-quaternären System aus Legierungen von Indiumarsenid (InAs), Galliumarsenid (GaAs), Indiumphosphid (InP) und Galliumphosphid (GaP). Da Gallium und Indium zur Gruppe III des Periodensystems gehören, Arsen und Phosphor zur Gruppe V, sind diese Binärmaterialien und ihre Legierungen alles III-V-Verbindungshalbleiter.

Warum der Aufwand? Bandlücken-Engineering

In hohem Maße hängen elektrische und optische Eigenschaften eines Halbleiters von seiner Energiebandlücke ab und ob diese „direkt“ oder „indirekt“ ist. Die Bandlücken der vier binären Mitglieder des InGaAsP-Systems reichen von 0,33 eV (InAs) bis 2,25 eV (GaP), mit InP (1,29 eV) und GaAs (1,43 eV) dazwischen. Bei SUI liegt der Fokus auf Photodetektoren, also interessieren wir uns für optische Eigenschaften. Ein Halbleiter detektiert nur Licht mit Photonenenergie größer als die Bandlücke – oder anders gesagt: Wellenlänge kürzer als die der Bandlücke zugehörige Grenzwelllänge. Diese „lange Wellenlängengreze“ beträgt 3,75 µm für InAs und 0,55 µm für GaP, mit InP bei 0,96 µm und GaAs bei 0,87 µm.

Durch Mischen von zwei oder mehr binären Verbindungen können die Eigenschaften der resultierenden ternären und quaternären Halbleiter auf intermediäre Werte abgestimmt werden. Die Herausforderung: Nicht nur die Energiebandlücke hängt von der Legierungszusammensetzung ab, sondern auch die resultierende Gitterkonstante. Für unsere vier binären Mitglieder reichen die Gitterkonstanten von 5,4505 Å (GaP) bis 6,0585 Å (InAs), mit GaAs bei 5,6534 Å und InP bei 5,8688 Å.

Zurück zu InGaAs: Standard-InGaAs auf InP-Substrat

Die InAs/GaAs-Legierung wird als InₓGa₁₋ₓAs bezeichnet, wobei x der InAs-Anteil ist. Die Gitterkonstanten und langen Wellenlängenschnittstellen dieser Legierungen sind in Abbildung 1 als rote Linien dargestellt. Die Herausforderung: Zwar lassen sich Dünnschichten von InₓGa₁₋ₓAs mit verschiedenen Techniken herstellen, aber ein Substrat ist nötig, um den Dünnfilm zu tragen. Stimmen Dünnfilm und Substrat nicht in der Gitterkonstante überein, werden die Dünnfilm-Eigenschaften stark degradiert.

Aus vielen Gründen ist das bequemste Substrat für InₓGa₁₋ₓAs InP. Hochwertige InP-Substrate sind mit Durchmessern bis 100 mm verfügbar. InₓGa₁₋ₓAs mit 53 % InAs wird oft „Standard-InGaAs“ genannt, ohne x zu nennen, weil es die gleiche Gitterkonstante wie InP hat und somit sehr hochwertige Dünnschichten ergibt.

Standard-InGaAs hat eine lange Wellenlängengreze von 1,7 µm. Das bedeutet Empfindlichkeit für Wellenlängen, die die geringste Signaldispersion und größte Übertragungsweite in Glasfasern haben (1,3 µm und 1,55 µm) – also Detektion von „augen-sicheren“ Lasern (Wellenlängen > 1,4 µm). Es ist der optimale Wellenlängenbereich für die Detektion des natürlichen Nachthimmelsglühens. SUIs Kernproduktlinien basieren auf PIN- und Lawinenphotodioden und Photodiodenarrays aus Standard-InGaAs.

„Extended Wavelength“ InGaAs für längere Wellenlängen

Viele Anwendungen erfordern Detektion von Licht mit längeren Wellenlängen. Ein wichtiges Beispiel: Messung des Feuchtgehalts in Agrarprodukten durch Wasserabsorption bei 1,9 µm. Ein weiteres: Light Detection and Ranging (LiDAR) in Flugzeugen zur Detektion von Clear-Air-Turbulenzen. LiDAR-Systeme nutzen oft Laser mit 2,05 µm Wellenlänge. InₓGa₁₋ₓAs mit längerer Grenzwelllänge heißt „Extended Wavelength InGaAs“.

Es scheint, man müsste nur etwas mehr InAs beimischen, aber es ist nicht so einfach. Das erhöht die Gitterkonstante des Dünnfilms, verursacht Fehlanpassung zum Substrat und mindert die Dünnfilmqualität. SUI hat viel Arbeit in das Wachsen hochwertiger Extended-Wavelength-InGaAs investiert, was sich im Produktangebot widerspiegelt. Abbildung 2 fasst die Ergebnisse zusammen: Quantenausbeute von Standard-InGaAs (rot) zusammen mit zwei Extended-Wavelength-Legierungen, X=0,74 (blau) und X=0,82 (grün). Auch die Spektralantwort einer 1,45-µm-Kurzwellenvariante ist gezeigt. Wie man sagt: „InₓGa₁₋ₓAs fängt dort an, wo Silizium aufhört.“

Dieser Artikel wurde von Ingenieuren bei Sensors Unlimited – a Part of Collins Aerospace (Princeton, NJ) verfasst. Weitere Informationen hier.