CMOS kortbølgestråle‑infrarøde sensorer – Fortolker det usete

I en ny undersøgelse, har forskerne skabt en ny højtydende SWIR‑billedsensor baseret på ikke‑giftige kolloidale kvanteprikker. Kortbølgestråle‑infrarød (SWIR) er et bølgelængdeområde af lys mellem 900 nm og 2500 nm, langt uden for det synlige spektrum, som spænder fra 400 nm til 700 nm. SWIR‑billeddannelse kræver sensorer, der kan operere i dette område. 

Mens konventionelle systemer, der bruger charge‑coupled devices (CCD) og complementary metal‑oxide semiconductor (CMOS) billedsensorer, kan fange billeder inden for det synlige lysspektrum ret effektivt, kan de, der udnytter SWIR‑teknologi, fange billeder i dybere bølgelængder inden for infrarødt spektrum. Dette gør det muligt for systemerne at se detaljer selv uden for det synlige spektrum.

Bølgelængder, der er længere end de synlige, kan kun ses af dedikerede sensorer. Og selvom lys i kortbølgestråle‑infrarød (SWIR) regionen er usynligt for øjet, interagerer dette lys med objekter på en lignende måde som synlige bølgelængder. 

Ligesom synligt lys reflekteres SWIR‑lys fra objekter, og som følge heraf har det skygger og kontrast i sine billeder. Da SWIR‑billeder ikke er i farve, men kun i sort‑hvid, gør det objekter let genkendelige og muliggør individuel identifikation. SWIR‑billeddannelse har også evnen til at se gennem glas.

Derfor har SWIR stort potentiale på grund af sin lille størrelse, lave strømforbrug, høje følsomhed og opløsning samt billige linser til det synlige spektrum, kombineret med evnen til at se beaconer og lasere, der er skjulte og i nattens himmelstråling.

Som sådan muliggør kortbølgestråle‑infrarød billeddannelse mange anvendelser i industrielle og videnskabelige sammenhænge, herunder inspektion af siliciumskiver, profilering af laserstråler, medicinsk billeddannelse, maskinsyn, kemisk og plastdetektion, landbrugsdetektion, overvågningssystemer og hyperspektral billeddannelse, ud over brug til anti‑forfalskning, fugtighedsdetektion og sortering. Derudover anvendes den også i ansigtsgenkendelsessensorer i mobiltelefoner, til målidentifikation og camouflage‑detektion i forsvaret samt i autonome køretøjer i skyggefulde miljøer.

Typisk anvendes InGaAs‑sensorer i SWIR‑billeddannelse. InGaAs, eller indium‑gallium‑arsenid, er en legering, der bruges i fremstillingen af visse halvledere til fotoniske anvendelser. Disse sensorer bruges i applikationer, der kræver bølgelængder i området 900‑1700 nm. De er dog dyre og møder udfordringer med hensyn til højere opløsningsmatricer, følsomhed over for temperaturvariationer og begrænset spektralt område.

Klik her for at lære, hvordan lasere vil spille en afgørende rolle i de kommende årtier.

Ikke‑giftige kvanteprikker‑baserede SWIR‑billedsensorer

Så udviklede den nye undersøgelse en ny ikke‑giftig kolloidal kvanteprik‑baseret højtydende SWIR‑billedsensor. Billedsensorer med SWIR‑følsomhed kan ikke kun pålideligt fungere under ugunstige forhold som tåge, stærkt sollys, dis og røg, men deres rækkevidde giver også en lyskilde, der er sikker for øjnene. På denne måde åbner SWIR muligheden for at bestemme materialers egenskaber gennem molekylær billeddannelse. 

Kolloidale kvanteprikker (CQD)‑baseret billedsensorteknologi tilbyder her en lovende teknologisk platform til at levere høj‑volumen‑kompatible billedsensorer i nær‑infrarødt område.

Kvanteprikker er menneskeskabte små partikler eller nanokrystaller, der først blev opdaget i 1980 og udviser unikke elektroniske og optiske egenskaber. Dette inkluderer evnen til at transportere elektroner og producere karakteristiske farver. Disse kunstigt syntetiserede halvleder‑nanopartikler har en størrelse på 2 til 10 nanometer, svarende til ca. 10‑50 atomer i diameter, og har et bredt anvendelsesområde, herunder solceller, LED‑ og solid‑state belysning, displays, fotovoltaik, transistorer, ultrahurtige all‑optiske switches, logikporte, fluorescerende biologisk mærkning, kvantecomputing, medicinsk billeddannelse, biosensorer og mere.

Den seneste undersøgelse blev offentliggjort i Nature Photonics og involverede forskere fra ICFO, Institutet for Fotonisk Videnskab, som udfører eksperimenter inden for klassiske og kvantekommunikationssystemer, samt QURV, som er ICFO’s spin‑off, der udvikler bredspektrums‑billedsensorteknologier for at muliggøre forbedrede computer‑visions‑applikationer.

Undersøgelsen præsenterede en ny metode til fremstilling af ikke‑giftige kolloidale kvanteprikker, som er funktionelle, af høj kvalitet og kan integreres med CMOS‑teknologi. CMOS er den teknologi, der i dag er mest udbredt i chip‑ eller mikrochip‑industrien til at danne integrerede kredsløb (IC’er). Denne halvlederteknologi anvendes i de nyeste CPU’er og smartphones.

Ved at integrere CQD’er med CMOS kan SWIR‑området tilgås, men der er en barriere for at omdanne disse SWIR‑følsomme kvanteprikker til en kommercielt anvendelig teknologi. Dette skyldes tilstedeværelsen af tunge metaller som bly eller kviksølv, som er underlagt reguleringer fra Restriction of Hazardous Substances (RoHS), en europæisk lovgivning, der regulerer brugen af disse materialer i kommercielle forbruger‑elektronik‑applikationer.

Mens teamet undersøgte måder at syntetisere AgBiTe2‑ eller sølv‑bismut‑tellurid‑nanokrystaller på for at udvide AsBiS2‑teknikkens dækning med henblik på at øge ydeevnen af fotovoltaiske enheder, opnåede de et biprodukt under processen, nemlig sølv‑tellurid (Ag2Te).

Ag2Te viste en stærk kvante‑konfineret absorption, meget lig kvanteprikker, som er justerbar. Da teamet indså sølv‑tellurids potentiale for SWIR‑fotodetektorer og billedsensorer, skiftede de fokus og indsats til at udvikle en ny proces til at syntetisere fosforfri versioner af disse Ag2Te‑kvanteprikker. Fosfor blev faktisk fundet at have en skadelig effekt på kvanteprikkernes optoelektroniske egenskaber, som er relevante for fotodetektion.

For at syntetisere kvanteprikker af Ag2Te eller sølv‑tellurid uden fosfor og med justerbar størrelse, brugte undersøgelsen en ny metode, der også bevarede de fordelagtige egenskaber fra traditionelle tunge‑metal‑modparter, hvilket lagde grundlaget for SWIR‑kolloidal‑kvanteprik‑teknologi til stor‑skala produktion.

I den nye syntetiske metode anvendte forskerne fosforfri komplekser såsom sølv‑prækurser og tellur. Dette gjorde det muligt for dem at opnå kvanteprikker med velkontrolleret størrelsesfordeling og exciton‑toppe over et meget bredt spektralområde. Disse kvanteprikker viste bemærkelsesværdige præstationer. Sammenlignet med den tidligere kvanteprik‑fremstilling ved brug af fosfor‑baserede teknikker, opnåede teamet en hidtil uset præstation i form af distinkte exciton‑toppe over 1500 nm.

Ved at bruge disse fosforfri kvanteprikker skabte teamet derefter en simpel laboratorie‑skala fotodetektor på et glasunderlag dækket med indium‑tin‑oxid (ITO), som er en almindelig standard, for at vurdere deres egenskaber og ydeevne. 

Teamet stod derefter over for en “udfordrende opgave” med at vende enhedsopsætningen, da laboratorie‑enhederne fungerer ved at lyset skinner fra deres bund. Undersøgelsens medforfatter Yongjie Wang, postdoc‑forsker ved ICFO, bemærkede, at:

“For CMOS‑integrerede CQD‑stakke kommer lyset fra toppen, mens den nederste del af enheden håndteres af CMOS‑elektronikken.” 

Fotodioden viste i starten lav ydeevne ved detektering af SWIR‑lys, så teamet foretog justeringer ved at inkludere et bufferlag, hvilket forbedrede ydeevnen betydeligt. Ombygningen resulterede i en SWIR‑fotodiode, der demonstrerede et spektralt område fra 350 nm til 1600 nm. Samtidig oversteg det lineære dynamiske område 118 dB, og en -3 dB båndbredde oversteg 110 kHz. SWIR‑fotodioden havde også en detekterbarhed ved stuetemperatur på omkring 10^12 Jones.

“Efter vores bedste viden har de her rapporterede fotodioder for første gang realiseret løsnings‑processerede, ikke‑giftige kortbølgestråle‑fotodioder med præstationsparametre på niveau med andre tung‑metal‑indeholdende modparter.”

– sagde ICREA‑professor ved ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Yderligere sagde han:

“Disse resultater understøtter yderligere faktum, at Ag2Te‑kvanteprikker fremstår som et lovende RoHS‑kompatibelt materiale til lavpris‑, højtydende SWIR‑fotodetektor‑applikationer.”

SWIR‑billedsensorers potentielle anvendelser i den virkelige verden

Efter ICFO‑forskerne Lucheng Peng, Aditya Malla og Wang, ledet af Konstantatos, med succes udviklede en tung‑metal‑fri kvanteprik‑baseret fotodetektor, samarbejdede de med Qurv‑forskerne Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black og Julien Schreier om at skabe en SWIR‑billedsensor.

I deres udtalelse om udviklingen af højtydende infrarøde fotodetektorer og en ikke‑giftig kolloidal kvanteprik‑baseret SWIR‑billedsensor, der fungerer ved stuetemperatur, bemærkede forskerne, at de derefter integrerede den omdesignede fotodetektor med en CMOS‑baseret ROIC (read‑out integrated circuit er hovedkomponenten i kameraer og er placeret bag fotodetektorer) FPA.

For at demonstrere sensorens funktion i SWIR blev den testet ved at tage flere billeder af silikonskivernes transmission under lys. Teamet var også i stand til at se indholdet af plastflasker, som ikke var observerbare i det synlige lysspektrum.

Det er dog ikke alt. I det næste trin er teamet interesseret i at forbedre fotodiodens ydeevne ved at designe de forskellige lag i enheden. Desuden har forskerne til hensigt at undersøge nye overflade‑kemi for sølv‑tellurid‑kvanteprikker for ikke kun at forstærke deres ydeevne, men også forbedre deres miljømæssige stabilitet.

For nu, dog, muligheden for at sensoren kan tilgå SWIR med en lavpris‑teknologi til forbrugerelektronik, ifølge Konstantatos:

“Vil frigøre potentialet i dette spektralområde med en enorm række af anvendelser, herunder forbedrede visionssystemer for bilindustrien (biler), der muliggør syn og kørsel under ugunstige vejrforhold.”

Ud over bilapplikationer bemærkede han, at den også kunne give et øjensikkert vindue, fri for baggrundslys både dag og nat, hvilket muliggør LiDAR og 3D‑billeddannelse for augmented reality (AR) og virtual reality (VR) applikationer.

Inden for robotteknologi kan disse sensorer være særligt nyttige til objektgenkendelse og navigation på grund af deres evne til at fange billeder gennem visse materialer og under svagt lys. På denne måde kan de forbedre robotters opfattelse af miljøet, så de kan navigere mere effektivt. Derudover kan disse sensorer også anvendes til forhindringsundgåelse selv i total mørke, hvilket yderligere hjælper med at sikre sikker navigation.

Udvikling og integration af infrarød teknologi

FLIR Systems, som er en del af Teledyne Technologies (TDY ), er et firma, der har arbejdet med udvikling og integration af infrarød teknologi såsom SWIR‑sensorer i robotteknologi. Sent i 2023 præsenterede Teledyne ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) på Defence Security and Equipment International‑messen i London. 

I næsten fem år udviklet, ofte i samarbejde med det norske forsvarsministerium, er enheden designet til at blive lanceret autonomt. Den sender live‑billeder og målrettet information tilbage til køretøjets besætning og kan bruges til at opsøge miner, foretage inspektioner under broer og improviserede sprængstoffer. Den har også høj præcisions‑rekognoscering, overvågning og måludvælgelse og kan også udføre operationer uden GPS. For at sikre “meget høj” præcision bruger enheden et proprietært sporingssystem, der benytter LED‑teknologi med et SWIR‑kamera.

Andre virksomheder, der fører an i dette område, inkluderer Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group og Sony.

Nu, i el‑biler (EV’er), kan SWIR‑billedsensoren forbedre deres visionssystemer ved at levere pålidelig billeddannelse, som muliggør mere effektiv og sikker kørsel under ugunstige forhold. Disse sensorer kan også bidrage til udviklingen af nat‑visionssystemer og hjælpe med at genkende og skelne objekter i forskellige lysforhold, hvilket er gavnligt for avancerede førerassistentsystemer (ADAS), som i stigende grad anvendes i autonome køretøjer (AV’er) for at forbedre trafiksikkerheden.

Sensorteknologier til bilindustrien

Luminar Technologies er et firma, der arbejder med sensorteknologier til bilindustrien, især LiDAR‑teknologi. Den amerikanske LiDAR‑producent planlægger at lancere 1 million Luminar‑udstyrede biler i Kina inden for de næste fem år.

Det børsnoterede selskab har en markedsværdi på 1,657 mia. $, med aktier handlet til $3,23, ned omkring 3 % år‑til‑dato. Selskabet har en omsætning (TTM) på $58,791 mio., EPS (TTM) på -1,50 og P/E (TTM) på -2,17.

I mellemtiden er virksomheder som Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group og Hyundai Motor førende inden for EV‑industrien.

Augmented Reality og Virtual Reality

Nu, i AR‑ og VR‑verdenen, hvor præcis dybdeopfattelse og objektgenkendelse er afgørende, kan disse SWIR‑sensorer være meget gavnlige for at levere mere immersive AR‑ og VR‑oplevelser. De kan yderligere anvendes til at opretholde billedkvalitet i udfordrende miljøer og tillade AR‑applikationer at overlejre digital information på brugerens synsfelt, selv når objekter ikke er direkte synlige i det synlige lysspektrum. At være en lavpris‑teknologi betyder, at ved at integrere SWIR‑billedsensorer i forbrugerenheder, kan de bringes til et bredt publikum, hvilket fører til nye applikationer og oplevelser.

Sony er et fremtrædende navn i AR‑verdenen, der bruger billedsensorer, inklusive CMOS‑teknologi. For nogle måneder siden, Sony annoncerede IMX992 SWIR‑billedsensoren med 5,32 effektive megapixels og en pixelstørrelse på 3,45 μm til industrielt udstyr. For at indfange lys effektivt leveres sensoren med en optimeret pixelstruktur, der muliggør høj‑opløsnings‑billeddannelse på tværs af et bredt spektrum.

Med en markedsværdi på $115 mia. er SONY‑aktierne handlet til $91,22. Selskabet rapporterede en omsætning (TTM) på $84,834 mia. og har EPS (TTM) på 4,72, P/E (TTM) på 19,33 og ROE (TTM) på 12,45 %. Sony betaler også et udbytte på 0,61 %.

Andre fremtrædende navne i dette felt inkluderer Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) og Unity.

Klik her for listen over de ti bedste aktier inden for augmented reality & virtual reality.

Konklusion

Som vi har set, giver CMOS‑SWIR‑sensorers følsomhed over for lys i kortbølgestråle‑infrarødt spektrum dem mulighed for at fange billeder ud over det traditionelle synlige lysspektrums rækkevidde, hvilket gør dem værdifulde i applikationer, hvor syn gennem visse materialer eller under svagt lys er kritisk.

På denne måde kan de levere hidtil uset ydeevne og pålidelighed i høj‑volumen, computer‑vision‑første applikationer i forskellige industrier såsom bilindustrien, service‑robotik, AR, VR og forbrugerelektronikmarkeder. I fremtiden, efterhånden som teknologien fortsætter med at udvikle sig, kan integrationen af disse sensorer udvides til andre områder, som rumforskning, også.