Was ist InGaAs?

Was ist InGaAs?

Das gitterangepasste InGaAs wird in sehr dünnen Schichten (mehrere Atomlagen) auf einem InP-Substrat aufgebracht. Es wird als gitterangepasst bezeichnet, weil es mit 53 % InAs und 47 % GaAs (d. h. In.53Ga.47As) denselben Atomabstand aufweist wie das Substratmaterial InP, auf dem es aufgebracht wird. Diese Zusammensetzung hat eine Energielücke von 0,75 eV, die die Erfassung von Licht bis zu 1,68 µm bei 20 °C ermöglicht. Mit InGaAs-Legierungen können auch längere Wellenlängen eingefangen werden, allerdings wird mehr InAs in der Mischung benötigt. In diesem Fall handelt es sich nicht mehr um eine Gitteranpassung. Wenn das Material nicht gitterangepasst ist, d. h. die Atome nicht mehr aufgereiht sind, treten Defekte im Material auf. Diese Defekte verursachen erhebliches Rauschen, was die Erkennung des Lichts erschwert. PIRT arbeitet mit seinen Partnern an neuen Materialstrukturen, um die Rauschquelle zu minimieren, die in der Branche als Dunkelstrom bekannt ist (d. h. das Rauschen, das entsteht, wenn das Material im Dunkeln vorgespannt ist). Ein geringerer Dunkelstrom führt zu empfindlicheren Geräten, da weniger Rauschen vorhanden ist und somit kleinere Signalmengen erfasst werden können.

4-Zoll-Substrate

Princeton Infrared Technologies verwendet 4-Zoll-InP-Substrate, die eine größere Anzahl von Chips auf einem Wafer mit größerer Einheitlichkeit ermöglichen. Dies sind die größten im Handel erhältlichen Substrate. Dies und die Zusammenarbeit mit einem fortschrittlichen III-V-Fertigungspartner ermöglichen es PIRT, InGaAs-Imager in höherer Qualität und zu einem niedrigeren Preis als die Konkurrenz herzustellen. In der hochmodernen Fertigungsanlage „fab“ werden die Wafer von Kassette zu Kassette verarbeitet, was den Kontakt zwischen Mensch und Wafer minimiert und die Produktivität erhöht. Neben der fortschrittlichen Technologie verarbeitet unser Partner mehr als 1.000 Wafer pro Monat an Material, wodurch eine statistische Prozesskontrolle möglich ist. Die statistische Prozesskontrolle ermöglicht eine gleichbleibende Bearbeitung der Wafer bei jedem Durchlauf und erhöht so die Produktivität und Qualität. Die meisten Infrarot-Fabs produzieren weniger InGaAs-Wafer pro Jahr, geschweige denn pro Monat, was die statistische Prozesskontrolle und die Fähigkeit, eine hohe Produktionsleistung zu erzielen, einschränkt – einer der vielen Gründe, warum InGaAs-Detektorarrays so kostspielig sind. PIRT verfügt außerdem über den Vorteil, dass das Unternehmen keine eigene Produktionsstätte betreibt, sodass keine hohen Gemeinkosten an den Kunden weitergegeben werden müssen.

Fortschrittliche Detektorstruktur

PIRT verfügt über eine einzigartige InGaAs-Detektorstruktur, die ein geringes Rauschen und die Fähigkeit zur Abbildung von 0,4 bis 1,7 µm mit hoher Quanteneffizienz ermöglicht. Die Quanteneffizienz gibt an, wie effektiv das Material erkannte Photonen in messbare Elektronen umwandelt. Diese Detektorstruktur weist äußerst niedrige Dunkelstromwerte auf, die mit denen anderer Hersteller konkurrieren können, die bereits seit Jahren produzieren. Diese einzigartige Detektorstruktur ermöglicht einen 100%igen Füllfaktor in unseren Detektoren ohne Totraum. Bei der Herstellung des Detektors wurde darauf geachtet, die Anzahl der Verarbeitungsschritte insbesondere bei erhöhten Temperaturen zu minimieren, um die Materialqualität zu erhalten.

Integrierte Schaltkreise mit digitaler Auslesung

InGaAs-Detektorarrays bestehen aus einer Kombination von Detektormaterial, das Licht detektiert und Photonen in Elektron-Loch-Paare umwandelt. Die Anzahl der Elektron-Loch-Paare wird mit einer integrierten Ausleseschaltung (ROIC) gemessen. Die ROIC, die in der Regel aus einem Si-CMOS besteht, bildet eine vollständige Schaltung mit dem Detektormaterial, sodass der Strom des Detektors in eine Spannung umgewandelt und gespeichert werden kann. Die Kombination aus ROIC und Detektormaterial ergibt ein Focal-Plane-Array. Es gibt zwei Arten von Focal-Plane-Arrays (FPAs) – zweidimensionale und eindimensionale. Zweidimensionale Arrays entsprechen den Imagern in Ihrem Fotohandy, während eindimensionale Arrays den Detektoren in einem Faxgerät entsprechen, die ein zweidimensionales Bild erzeugen können, wenn etwas unter ihnen gescannt wird. Eindimensionale Arrays werden in der maschinellen Bildverarbeitung in Produktionslinien und in der Spektroskopie eingesetzt, wo jedes Pixel eine bestimmte Wellenlänge des Lichts erkennt. Das Detektormaterial wandelt das Licht in messbaren Strom um, wobei die ROIC die intelligente Technik hinter dem Detektor ist und zahlreiche Anwendungen erst ermöglicht. Verschiedene ROICs erlauben unterschiedliche Funktionen.

Princeton Infrared Technologies verwendet hochmoderne digitale ROICs. Diese ROICs haben 13- bis 14-Bit-Ausgänge und ermöglichen Hochgeschwindigkeits- und rauscharme Schaltungen, die schnelle Bildraten mit hoher Empfindlichkeit gewährleisten. PIRT verwendet ROICs, die nach unseren Spezifikationen von externen Designern entwickelt wurden, die sich auf fortschrittliches CMOS-ROIC-Design spezialisiert haben. PIRT konzentriert sich darauf, die zahlreichen Neuerungen und Vorteile, die im Bereich der visuellen Bildgebung erzielt wurden, in unsere Infrarot-Bildgebungssysteme zu integrieren. Princeton Infrared Technologies greift zudem auf marktübliche ROIC-Schaltungen zurück, um spezifische Anwendungen zu realisieren. Wir arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um deren anwendungsspezifischen Anforderungen gerecht zu werden. Dies kann in Form der Entwicklung eines neuen Schaltkreises oder des Kaufs eines herkömmlichen Schaltkreises und dessen Integration in unsere Detektoren vonstattengehen.

Fortgeschrittene Hybridisierung

Um ein Focal-Plane-Array zu bilden, muss jeder Detektor mit dem zugehörigen Schaltkreis in der ROIC verbunden werden. Bei einem 1280x1024-Array sind das über 1,3 Millionen Verbindungen! Für eine zufriedenstellende Optik müssen mehr als 99,5 % dieser Verbindungen voll funktionsfähig sein. In linearen Arrays erfolgt die Verbindung zwischen der ROIC und dem InGaAs-Detektor im Allgemeinen mit Drahtbonds. Hier wird ein sehr dünner Golddraht mit dem Detektor und der ROIC verbunden. In zweidimensionalen Arrays wird dies mit Indium-Bumps bewerkstelligt. Dabei handelt es sich um kleine Erhöhungen aus Indium, die sowohl auf dem Detektor als auch auf der ROIC angebracht sind. Bei diesem Verfahren werden Detektor und ROIC-Chip in x-, y- und z-Richtung sowie in der Neigung sorgfältig ausgerichtet und einzeln mit Hitze und Druck zusammengepresst. Indium wird verwendet, da die meisten Infrarotmaterialien gekühlt werden und das Indium die Unterschiede in der Wärmeausdehnung der beiden Materialien ausgleicht.

PIRT ist davon überzeugt, dass neue, fortschrittlichere 3D-IC-Prozesse erforderlich sind, um die Kosten zu senken und die Produktivität bei SWIR-Imagern zu verbessern. PIRT arbeitet an der 3D-Wafer-to-Wafer-Hybridisierung seiner Detektoren mit ROICs. Dies hat in Bezug auf die Fertigung viele Vorteile: Wir können alle Geräte gleichzeitig nachbearbeiten, um die Kosten zu senken und die Produktivität und Homogenität zu verbessern. Mit dieser Technik lassen sich auch Geräte mit kleinerem Pitch und geringeren Kosten für eine bestimmte Auflösung herstellen.

Gehäuse und Elektronik

Die Princeton Infrared Technologies, Inc. arbeitet eng mit ihren Kunden zusammen, um die für die jeweilige Anwendung erforderliche Gehäuse- und Elektroniklösung zu entwickeln und herzustellen. PIRT konzentriert sich auf kostengünstige Lösungen. Wir prüfen die Verwendung von Glasfenstern im Gegensatz zu Saphir und den Einsatz von Keramik- und Kunststoffgehäusen im Gegensatz zu Kovar und High-End-Metallgehäusen. PIRT vertreibt seine Detektoren sowohl in Gehäusen mit integrierten thermoelektrischen Kühlern (TECs) als auch als „bare die“. Wir arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um deren Bedürfnissen gerecht zu werden, und nicht, um ihnen Mehrkosten zu verursachen.

PIRT arbeitet in Sachen unterstützende Elektronik für den Betrieb der Arrays mit mehreren Elektronikunternehmen zusammen. IRcameras bietet kommerzielle Array-Elektronik an, die mit unseren zweidimensionalen Focal-Plane-Arrays betrieben werden kann. Wir verkaufen sowohl das komplette Kamerasystem als auch das Focal-Plane-Array selbst.