Avalanche-Photodioden InGaAs-APDs mit Antimon: Das leistet der neue Typ

Neuartige Avalanche-Photodioden sorgen in vielen IR-Anwendungen als Ersatz für InGaAs-APDs für eine bessere Empfindlichkeit. Möglich werden so eine um 50 Prozent höhere Reichweite und der Betrieb mit günstigen Festkörperlasern bei höheren Temperaturen.

Bei vielen elektronischen Sende-/Empfangssystemen sind die Kosten, die Größe und der Stromverbrauch des Senders um ein Vielfaches höher als die des Empfängers. Dies gilt nicht nur für Funkkommunikation, sondern auch für optische Infrarot-Systeme.

Bei vielen elektronischen Sende-Empfangs-Systemen sind die Kosten, die Größe und der Stromverbrauch des Senders um Größenordnungen höher als der des Empfängers. Dies gilt nicht nur für die drahtlose Kommunikation, sondern auch für optische Infrarotsysteme.

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Bei Anwendungen zur Infrarot-Laufzeitmessung (ToF; Time of Flight) wie LiDAR, Laser-Entfernungsmessern und optischen Prüfgeräten besteht der Sender aus einer Hochleistungslaserdiode, die Lichtimpulse aussendet. Der Signaldetektor am vorderen Ende des Empfängers ist ein IR-Sensor oder eine Sensoranordnung.

Bei diesen Anwendungen und in Infrarot-Kommunikationssystemen bedeutet ein empfindlicherer Detektor, dass sich die Reichweite des Systems erhöht oder die Leistung des Laserdioden-Senders für eine bestimmte Reichweite reduzieren lässt. In der Praxis wird in der Regel ein Kompromiss zwischen diesen beiden Zielen eingegangen.

Um kleine Signale im IR-Spektrum zu erkennen, wird häufig eine Avalanche-Photodiode (APD) in Sperrichtung verwendet. Über eine Halbleiterschicht wandelt das Bauelement einfallende Lichtquanten in elektrischen Strom. In der Schicht wird die Energie der einfallenden Photonen absorbiert, ein Valenzelektron in das Leitungsband gehoben und dadurch ein Elektron-Loch-Paar erzeugt, das mit einem elektrischen Feld zu entgegengesetzten Elektroden geleitet wird.

Durch Stoßionisation werden nochmals freie sekundäre Ladungsträger erzeugt. Dadurch wächst die Anzahl freier Ladungsträger im Leitungsband lawinenartig exponentiell an. Dadurch werden die Dioden so empfindlich, dass einige sogar ein einzelnes Photon erkennen können.

Halbleiter für Avalanche-Photodioden

Die Empfindlichkeit einer APD für bestimmte Wellenlängen wird durch die Halbleitermaterialien bestimmt. APDs auf Basis von Silizium haben eine Spitzenempfindlichkeit bei etwa 900 nm und können mit einer typischen Avalanche-Verstärkung zwischen 50 und 1000 betrieben werden.

APDs auf der Basis von Germanium oder Indiumgalliumarsenid (InGaAs) sind im längeren Wellenlängenbereich von 1000 bis 1700 nm am empfindlichsten. Die typische Verstärkung ist jedoch auf 10 bis 40 begrenzt und wird zudem durch höheres Rauschen begrenzt, das durch den Lawineneffekt in diesen Verbindungshalbleitern entsteht. InGaAs schneidet in dieser Hinsicht besser ab als Germanium.

Der Herstellungsprozess des Verbindungshalbleiters InGaAs-APDs ist teurer als Siliziumversionen. Warum sollte man sich trotz dieser Einschränkungen für eine InGaAs-APD anstatt einer Silizium-APD entscheiden? Die Antwort liegt in der Betriebswellenlänge.

Silizium-APDs sind bei etwa 905 nm empfindlich, was nahe am sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums liegt. IR-Licht, das das menschliche Auge erreicht, kann bei dieser Wellenlänge Netzhautschäden verursachen. Daher ist die Ausgangsleistung der verwendbaren Laserdiodensender begrenzt. Dies schränkt den Betriebsbereich von Systemen mit Silizium-APDs ein.

Im Gegensatz dazu werden InGaAs-APDs, die normalerweise im Bereich von 1300 bis 1550 nm arbeiten (letzterer ist der gängigste Bereich), gewählt, wenn Systeme „augensicher“ sein müssen. Solche Systeme können hunderfach leistungsstärkere IR-Laser verwenden, um größere Entfernungen zu erreichen, ohne das Sehvermögen zu gefährden.

Ein langjähriges Problem besteht darin, das durch den Lawineneffekt in InGaAs-APDs erzeugte Rauschen zu reduzieren, um die Empfindlichkeit zu verbessern. Mit der Implementierung einer Antimonlegierung in den Herstellungsprozess der Verbindungshalbleiter wurde hier kürzlich ein Durchbruch erzielt.

Auswirkungen von Antimon im APD-Herstellsprozess

Bei herkömmlichen APDs erzeugt der Lawinendurchbruch erhebliche Rauschpegel, die die Empfindlichkeit beeinträchtigen. Dies liegt daran, dass die für die Multiplikationsschicht verwendeten Materialien durch die Stoßionisationen mit gleicher Wahrscheinlichkeit Löcher wie Elektronen erzeugen. Dabei beschleunigt das starke elektrische Feld die positiv geladenen Löcher entgegengesetzt zu den negativ geladenen Elektronen.

Dieser chaotische Prozess führt jedes Mal, wenn ein Elektron in die Multiplikationsschicht injiziert wird, zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. In einigen Fällen geht der Lawinenprozess unbegrenzt weiter, in anderen Fällen wird jedoch nur eine minimale Verstärkung erzielt. Aufgrund dieses zufälligen Verhaltens dominiert das Rauschen bei Verstärkungen jenseits von etwa 10 bis 20 die Wirkung.

Im Gegensatz dazu besteht die Multiplikationsschicht der neuen InGaAs-APD aus einer Halbleiterlegierung, die Antimon enthält. In diesem neuartigen Material erzeugen fast alle Stoßionisationen Elektronen. Der Lawinenprozess ist zudem auf eine präzise Stelle innerhalb der Multiplikationsschicht beschränkt. Die für die Multiplikationsschicht verwendete homogene Legierung ist zu Standard-Fertigungsprozessen kompatibel ist. Dieser nahezu vollständig vorhersagbare Prozess reduziert das zusätzliche Systemrauschen und ermöglicht den Betrieb des Bausteins mit Avalanche-Verstärkungen bis zu 120.

Andere Faktoren tragen zur Gesamtempfindlichkeit von APDs bei, insbesondere das Grundrauschen, das durch thermisch erzeugte Ladungsträger oder Dunkelstrom entsteht. Durch die Optimierung der Prozessparameter, des Aufbaus des Bausteins und der Reinheit der Materialien konnte der Dunkelstrom in der neuesten Version der Avalanche Photodiode „Aura“-Noiseless-InGaAs um mehr als 75% reduziert werden.

Diese Kombination aus geringem Rauschen und niedrigem Dunkelstrom hat zur Entwicklung einer kommerziellen Avalanche-Photodiode geführt, die 12-mal empfindlicher ist als herkömmliche Bausteine der Spitzenklasse. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten bei der Entwicklung kostengünstiger und kompakter Laufzeitsysteme mit geringerem Stromverbrauch. Zu den weiteren Vorteilen zählen eine höhere Stabilität, Leistungsfähigkeit und Robustheit.

Vorteile der Antimon-Photodioden in der Praxis

Der niedrige Rauschpegel der Aura-APD stabilisiert die Verstärkung. Herkömmliche APDs müssen nahe ihrer Durchbruchspannung betrieben werden, um die Verstärkung zu optimieren. Sie sind daher schwer zu steuern, da kleine Änderungen der Versorgungsspannung zu großen Schwankungen in der Ausgangsleistung führen können. Im Gegensatz dazu können Aura-APDs weiter vom Durchbruchpunkt entfernt betrieben werden, wodurch sie sich leichter in ein Systemdesign integrieren lassen.

Aura-APDs sind auch widerstandsfähiger gegenüber Temperaturschwankungen – ein weiteres Problem für APDs, die nahe am Avalanche-Durchbruch betrieben werden. Das liegt daran, dass die Durchbruchspannung temperaturabhängig ist. Selbst kleine Änderungen können den Durchbruchpunkt um Hunderte mV verändern.

Sobald der Baustein in ein System integriert ist, ist es auch schwierig, die Betriebstemperatur zu messen oder die Versorgungsspannung zu ändern. Dadurch wird spezielle Elektronik erforderlich, mit der sich Größe und Kosten erhöhen, um Temperaturänderungen auszugleichen und eine konstante Verstärkung aufrechtzuerhalten.

Ein Betrieb der Avalanche Photodiode weiter vom Avalanche-Durchbruch entfernt mindert das Problem. Bei der Aura-APD ist die Temperaturdrift der Durchbruchspannung auf etwa 20 mV/K reduziert. Das ist bis zu zehnmal niedriger als bei herkömmlichen APDs. Der niedrige Dunkelstrom und das geringere Rauschen bieten Systementwicklern zudem die Möglichkeit, den Baustein über einen größeren Temperaturbereich zu betreiben, ohne dass komplexe Wärmemanagementsysteme erforderlich sind.

TOF-Anwendungen: hohe Dynamik und optische Leistung

Eine Herausforderung für optische ToF-Anwendungen ist, dass die APD zahlreiche reflektierte Signalen erkennen und verarbeiten muss. Bei LiDAR für autonomes Fahren könnte beispielsweise die starke Laseremission von einem schwarzen Reifen in der Ferne zurückgeworfen werden – was eine hohe Empfindlichkeit erfordert, um niedrige Photonenzahlen zu erfassen – oder von einem reflektierenden Nummernschild in der Nähe des Detektors. Um einen derart extremen Dynamikbereich abzudecken, muss die APD eine hohe Störschwelle aufweisen. Tests haben gezeigt, dass Aura-APDs auch dann noch funktionieren, wenn sie wiederholt mit IR-Laserpulsen mit einer Leistung von bis zu 40 MW/cm² bestrahlt werden.

Die Einwirkung hoher optischer Leistungen kann auch die Zeit verlängern, die das Bauteil benötigt, um sich von der Sättigung zu erholen. Dies verringert seine Fähigkeit, auf das nächste eingehende Signal zu reagieren. Eine schnellere Erholungszeit lässt sich am besten erreichen, indem der Ausgang der APD an die andere kritische Komponente in der Empfängereinheit, den Transimpedanzverstärker (TIA), angepasst wird. Dieser wandelt den von der APD erzeugten elektrischen Strom in eine Spannung um.

Prototyp mit guten Werten

Ein Prototyp eines Empfängermoduls hat gezeigt, dass bei einer Verstärkung von 10 die Erholungszeit unter 1,5 µs liegt, nachdem das Modul einem Signal mit einer optischen Leistung von 500 kW/cm² ausgesetzt wurde. Die Erholungszeit beträgt 2,5 µs, wenn das gleiche Signal mit einer Verstärkung von 100 einwirkt.

Die gemeinsame Entwicklung von Avalanche Photodiode und Transimpedanzverstärker macht es auch einfacher, die Ankunftszeit jedes eingehenden Signals genau zu bestimmen, was wiederum die Präzision der Entfernungsmessung verbessert. Für eine genaue Zeitmessung muss die Signalantwort eine schnelle Anstiegszeit und eine ebenso schnelle Abfallzeit aufweisen. Das Prototypmodul hat gezeigt, dass es zwischen Impulsen unterscheiden kann, die nur 10 ns voneinander entfernt eintreffen.

Fazit: Durch die Kombination von hoher Empfindlichkeit und geringem Rauschen mit optimierter Leistungsfähigkeit bei allen wichtigen Bauteilparametern – Geschwindigkeit, Impulsantwort, Überlast-Erholung und Robustheit auch bei hohen Temperaturen – erfüllen Aura-APDs die Anforderungen vieler IR-Anwendungen. In bestehenden Systemen sind sie ein direkter Ersatz für herkömmliche InGaAs-APDs und sorgen für sofortige Leistungssteigerungen.

In neuen Designs ermöglicht die verbesserte Empfindlichkeit den Betrieb eines optischen ToF-Systems mit viel günstigeren Festkörperlasern, was Größe, Kosten und Komplexität reduziert. Je nach Anwendung kann die verbesserte Empfindlichkeit auch genutzt werden, um die Systemgeschwindigkeit zu erhöhen, den Betrieb bei höheren Temperaturen zu ermöglichen oder die Reichweite um bis zu 50 Prozent zu erhöhen. (kr)

* Ben White ist CEO und Mitbegründer von Phlux Technology.

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