Technologie: Germanium-Einzelphotonendetektoren (Ge-on-Si SPAD) von GeQD

Die Lösung

Germanium-auf-Silizium SPADs, ausgelegt für industrielle Skalierung.

GeQD entwickelt eine Einzelphotonen-Detektorplattform, die Germanium als Absorber nutzt. Damit reicht die Empfindlichkeit bis in den Nahinfrarot- und SWIR-Bereich, weit über den Bereich von Silizium hinaus. GeQD SPADs basieren auf einem Silizium-kompatiblen Halbleiterprozess. So verbinden wir SWIR-Detektion mit skalierbarer Fertigung und der Integration von CMOS-Ausleseelektronik.

Empfindlichkeit vom Sichtbaren bis SWIR

≈ 600 – 1550 nm

Germanium-Absorber für SWIR-Reichweite

Eine Materialplattform über den gesamten Bereich

Ausgelegt für Raumtemperaturbetrieb

Keine Kryotechnik im Zieldesign

Vermeidet kryostatgebundenen Einsatz

Kompakte, systemtaugliche Module

Weg zur CMOS-Integration ebnen

Silizium-kompatibler Halbleiterprozess

Kompatibel mit CMOS-Auslese

Grundlage für zukünftige Arrays

GeQD verfolgt Skalierbarkeit, SWIR-Detektion und Systemintegration in einer Plattform

Detektortyp

Wellenlänge

Kühlung

Skalierbarkeit

Kosten

Hauptlimitierung

Silicon SPAD

Sichtbar / NIR

Raumtemperatur

Hoch

Niedrig

Schwach jenseits ~1 µm. Blind im SWIR.

InGaAs / InP SPAD

900–1700 nm

Oft gekühlt / gegated

Begrenzt

Kosten, Integration, Afterpulsing

SNSPD

Breitband

Kryogen (~1–4 K)

Sehr hoch

Kühlungs- und Infrastrukturaufwand

GeQD Ge-on-Si SPAD

600–1550 nm

Raumtemperatur Noch nicht demonstriert

CMOS-kompatibel

Niedrig (bei Skalierung konkurrenzfähig zu Silicon SPADs)

LabOne heute TRL 4 — TRL 5 als Ziel für 2027/2028

Wellenlängenbereich und CMOS-Kompatibilität sind inhärente Eigenschaften der Ge-auf-Si-Plattform. Die Kostenparität zu Silicon SPADs ergibt sich aus der CMOS-Fertigung bei Skalierung. Raumtemperaturbetrieb bei der angestrebten Leistung ist das Ziel, aber noch nicht demonstriert; die TRL-Marke ist ein Roadmap-Ziel.

Wie ein Detektionsereignis abläuft

Ein einzelnes Photon trifft auf den Detektor.

Germanium absorbiert das Photon und erzeugt ein Elektron-Loch-Paar.

Der Ladungsträger wird beschleunigt und löst eine Lawine weiterer Ladungsträger aus.

Die Germanium-Absorptionsschicht ist auf einem Siliziumsubstrat und kompatibel mit standardisierten Halbleiterfertigungsprozessen.

Standard-CMOS-Elektronik wandelt die Lawine in einen sauberen elektrischen Puls.

Ein zeitgestempeltes digitales Ereignis wird an das Host-System übergeben.

Vereinfachte Ge-auf-Si SPAD-Schichtstruktur

Leistungsparameter

Die Charakterisierung der aktuellen Detektorgeneration läuft. Die Tabelle zeigt den Status je Parameter; Messdaten teilen wir unter NDA.

Parameter

Status

Photonendetektionseffizienz (PDE)

Charakterisierung läuft

Dunkelzählrate (DCR)

Timing-Jitter

Afterpulsing-Wahrscheinlichkeit

Totzeit

Betriebstemperatur

TEC-gekühlte Demonstratoren; Raumtemperatur als Entwicklungsziel

Array-Skalierbarkeit

Einzelpixel und Test-Arrays; Array-Skalierung in Entwicklung

Werte werden veröffentlicht, sobald die Charakterisierungsdaten konsolidiert sind. GeQD berichtet Parameter aus internen Labormessungen, sofern nicht anders angegeben.

Auf Basis dieser Plattform entwickelt GeQD Detektormodule und Arrays für Quanten-, Sensorik- und photonische Testanwendungen.

Germanium-auf-Silizium SPAD-Plattform · Raumtemperatur-Ziel · CMOS-kompatibel · 600–1550 nm

Detektor-Ablauf

Vom Photon zum digitalen Ereignis.

Schematische Darstellung der Ge-auf-Si-Einzelphotonendetektion von GeQD.

01 Photon Einfallendes Photon (NIR / SWIR)

02 Ge-Absorption Photon im Germanium-Bereich absorbiert

03 Ladungsträger-Erzeugung Elektron-Loch-Paar erzeugt

04 Avalanche-Region Avalanche-Multiplikation im Si

05 Silizium-Plattform Multiplikation auf Si-Substrat

06 CMOS Readout-Schaltung Quenching & Front-End-Elektronik

07 Detektionspuls Digitales Einzelphotonen-Ereignis

Bei GeQD erweitert Germanium die Photonenabsorption in längere Wellenlängen, während die silizium-kompatible Plattform einen Pfad zu skalierbarer Fertigung und Readout-Integration eröffnet.

Schematische Darstellung eines Plattform-Konzepts — keine finalisierte Bauteil-Geometrie.

Warum GeQD

Wie sich die Ge-auf-Si-Plattform einordnet

Merkmal

Ge (Ge-SPAD) Ziel · modellbasiert

InGaAs SPAD

SNSPD

Si-SPAD

SWIR (>1100 nm)

✓ Ziel

Raumtemperatur (Ziel)

✓ Noch nicht demonstriert

partial

CMOS-skalierbar

Industrietauglich

limited

niche

limited SWIR

Alle GeQD-Einträge sind modellbasierte Zielwerte aus Labormessungen und Plattformmodellierung. SWIR, CMOS-Skalierbarkeit und Industrietauglichkeit sind erreichbar; Raumtemperaturbetrieb bei ausreichender Leistung ist das Ziel, jedoch noch nicht demonstriert.

Produkt-Roadmap

Vom Labormodul zum industriellen Array

Ein phasenweiser Ansatz von ersten Forschungsmodulen zu skalierbaren Industrieprodukten.

GeQD LabOne

4-Kanal SWIR-SPAD-Modul

In Entwicklung — TRL 4 · 2027 (Ziel)

Ein kompaktes Einzelphotonen-Detektionsmodul für Quantenforschung und industrielles Prototyping.

Einfache Handhabung (Plug-and-Play)

Gewichts- und größeneffizient

Integration in kundenspezifische Anwendungen

4-Kanal SWIR-SPAD

Fasergekoppelt, Raumtemperatur-Ziel

VisionOne

SPAD-Array-Plattform

In Entwicklung — TRL 3

Eine skalierbare SPAD-Array-Plattform für automobiles LiDAR und industrielle Sensorik.

Hohe Leistung und Skalierbarkeit

Gewichts- und größeneffizient für vielseitige Systemintegration

Betrieb bei Raumtemperatur (Ziel)

Kernanwendung: LiDAR

VisionOne ist als Kerndetektor für die nächste Generation von 1550-nm-LiDAR-Systemen konzipiert. Ge-SPADs ermöglichen augensicheren Betrieb mit deutlich höherer Reichweite als konventionelle Siliziumdetektoren — zu einem Bruchteil der InGaAs-Kosten. Das macht GeQD zum fehlenden Baustein für skalierbares, automobiltaugliches LiDAR.

Halbleitermaterialien für LiDAR-Detektoren

Ge-auf-Si verbindet SWIR-Empfindlichkeit mit CMOS-kompatibler Fertigung — geeignet für skalierbare, industrielle LiDAR-Detektoren.

Tageslicht

Reichweite

GeQD-Reichweite ≈ 4× von Si (modellbasierter Zielwert — noch nicht demonstriert)

Regen & Nebel

GeQD-Reichweite ≈ 3× von Si (modellbasierter Zielwert — noch nicht demonstriert)

Kosten

(niedriger = besser)

GeQD ~10× günstiger als InGaAs und nah an Si (modellbasierte Projektion bei Serienfertigung — noch nicht validiert)

* Modellbasierte Zielwerte, abgeleitet aus Labormessdaten; noch nicht in Feldtests demonstriert.

Wellenlängenvorteil

Gleiche Szene, zwei Wellenlängen. 1550-nm Ge-SPADs liefern eine dichtere Punktwolke und größere Reichweite als 905-nm-Silizium — bei Tag, Nacht und widrigem Wetter.

* Basierend auf Berechnungen im Labordemonstrator.

Augensicher

1550 nm ist augensicher

Größere Reichweite

Größere Reichweite bei augensicherer Leistung

Allwetter

Bessere Nebel- & Regendurchdringung

BioSeries

Explorativ

SWIR-Bildgebungsmodule für medizinische Diagnostik.

SWIR-Bildgebung für Medizin

Tiefgewebedetektion

Zeitaufgelöste Bildgebung

Forschung

Wissenschaftliche Grundlage

Unsere Technologie basiert auf begutachteter Forschung zu Ge-auf-Si Einzelphotonen-Lawinendioden.

Backside illuminated Ge-on-Si NIR camera

M. Oehme, M. Kaschel, S. Epple, M. Wanitzek, Z. Yu, D. Schwarz, A.C. Köllner et al.

IEEE Sensors Journal 21 (17), 18696–18705, 2021

Low-temperature performance of GeSn-on-Si avalanche photodiodes toward single-photon detection

M. Wanitzek, M. Hack, D. Schwarz, J. Schulze, M. Oehme

Materials Science in Semiconductor Processing 176, 108303, 2024

Ge-on-Si single-photon avalanche diode using a double mesa structure

M. Wanitzek, J. Schulze, M. Oehme

Optics Letters 49 (22), 6345–6348, 2024

GeSn-on-Si avalanche photodiodes for short-wave infrared detection

M. Wanitzek, M. Oehme, C. Spieth, D. Schwarz, L. Seidel, J. Schulze

ESSCIRC 2022 – IEEE 48th European Solid State Circuits Conference, 2022

Ge-on-Si avalanche photodiodes for LIDAR applications

M. Wanitzek, M. Oehme, D. Schwarz, K. Guguieva, J. Schulze

43rd International Convention on Information, Communication and Electronic Technology (MIPRO), 2020

GeSn‐on‐Si avalanche photodiodes with high responsivity and low dark current

M. Wanitzek, H. Ramachandra, C. Spieth, A. Daus, J. Schulze, M. Oehme

Advanced Electronic Materials 11 (21), e00495, 2025

Universität Stuttgart – Institut für Halbleitertechnik

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Pfaffenwaldring 47

70569 Stuttgart, Deutschland

Tel: +49 711 68560896

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