CMOS‑Kurzwellinfrarot‑Sensors‑Set – Das Unsichtbare interpretieren

In einer neuen Studie haben Forscher einen neuen Hochleistungs‑SWIR‑Bildsensor auf Basis nicht‑toxischer kolloidaler Quantenpunkte entwickelt. Kurzwellinfrarot (SWIR) ist ein Wellenlängenband von 900 nm bis 2500 nm, weit jenseits des sichtbaren Spektrums, das zwischen 400 nm und 700 nm liegt. SWIR‑Bildgebung erfordert Sensoren, die in diesem Bereich arbeiten können. 

Während herkömmliche Systeme, die CCD‑ (Charge‑Coupled‑Device) und CMOS‑ (Complementary Metal‑Oxide‑Semiconductor) Bildsensoren verwenden, Bilder im sichtbaren Lichtspektrum recht effektiv erfassen können, können Systeme, die SWIR‑Technologie nutzen, Bilder in tieferen Wellenlängen des Infrarotspektrums aufnehmen. Das ermöglicht den Systemen, Details auch außerhalb des sichtbaren Spektrums zu sehen.

Wellenlängen, die länger als die sichtbaren sind, können nur von speziellen Sensoren erfasst werden. Und obwohl Licht im Kurzwellinfrarot‑ (SWIR‑) Bereich für das Auge unsichtbar ist, interagiert dieses Licht mit Objekten ähnlich wie sichtbare Wellenlängen.

Ähnlich wie sichtbares Licht wird SWIR‑Licht von Objekten reflektiert und erzeugt dadurch Schatten und Kontrast in den Aufnahmen. Da SWIR‑Bilder nicht farbig, sondern nur in Schwarz‑Weiß vorliegen, sind Objekte leicht erkennbar und ermöglichen eine individuelle Identifizierung. SWIR‑Bildgebung kann zudem durch Glas hindurch fotografieren.

SWIR besitzt also großes Potenzial dank seiner geringen Größe, des niedrigen Stromverbrauchs, hoher Empfindlichkeit und Auflösung sowie kostengünstiger Linsen für das sichtbare Spektrum, und zudem der Fähigkeit, verdeckte Signale und Laser im Licht der nächtlichen Himmelsstrahlung zu erkennen.

Auf diese Weise ermöglicht die Kurzwellinfrarot‑Bildgebung zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Anwendungen, darunter Siliziumwafer‑Inspektion, Laserstrahl‑Profilierung, medizinische Bildgebung, maschinelle Bildverarbeitung, chemische und Kunststoff‑Erkennung, landwirtschaftliche Sensorik, Überwachungssysteme und hyperspektrale Bildgebung, zusätzlich zu Anwendungen wie Fälschungssicherheit, Feuchtigkeitsdetektion und Sortierung. Darüber hinaus findet sie Einsatz in Gesichtserkennungssensoren von Mobiltelefonen, zur Zielidentifikation und Tarnungserkennung in der Verteidigung sowie in autonomen Fahrzeugen in schattigen Umgebungen.

Typischerweise werden InGaAs‑Sensoren in der SWIR‑Bildgebung eingesetzt. InGaAs, also Indium‑Galliumnitrid‑Arsenid, ist eine Legierung, die bei der Herstellung bestimmter Halbleiter für photonische Anwendungen verwendet wird. Diese Sensoren kommen in Anwendungen zum Einsatz, die Wellenlängen von 900‑ bis 1700 nm benötigen. Sie sind jedoch teuer und stoßen auf Probleme hinsichtlich höherer Auflösung, Temperaturempfindlichkeit und begrenztem Spektralbereich.

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Nicht‑toxische Quantenpunkt‑basierte SWIR‑Bildsensoren

Die neue Studie entwickelte also einen neuen nicht‑toxischen, kolloidalen Quantenpunkt‑basierten Hochleistung‑SWIR‑Bildsensor. Bildsensoren mit SWIR‑Empfindlichkeit können nicht nur zuverlässig unter schwierigen Bedingungen wie Nebel, starkem Sonnenlicht, Dunst und Rauch arbeiten, sondern ihr Spektrum liefert auch eine für die Augen sichere Lichtquelle. Auf diese Weise eröffnet SWIR die Möglichkeit, Materialeigenschaften durch molekulare Bildgebung zu bestimmen. 

Die auf kolloidalen Quantenpunkten (CQD) basierende Bildsensortechnologie bietet hier eine vielversprechende Plattform, um volumenkompatible Bildsensoren im nahen Infrarot bereitzustellen.

Quantenpunkte sind vom Menschen hergestellte winzige Teilchen oder nanoskalige Kristalle, die erstmals 1980 entdeckt wurden und einzigartige elektronische sowie optische Eigenschaften besitzen. Dazu gehört die Fähigkeit, Elektronen zu transportieren und charakteristische Farben zu erzeugen. Diese künstlich synthetisierten Halbleiter‑Nanopartikel haben eine Größe von 2 bis 10 Nanometern, etwa 10‑50 Atome im Durchmesser, und finden breite Anwendung, darunter Solarzellen, LEDs und Festkörperbeleuchtung, Displays, Photovoltaik, Transistoren, ultraschnelle all‑optische Schalter, Logikgatter, fluoreszierende biologische Markierungen, Quantencomputing, medizinische Bildgebung, Biosensoren und mehr.

Die neueste Studie, veröffentlicht in Nature Photonics, wurde von Forschern des ICFO, des Instituts für Photonik, das Experimente in klassischen und quantenbasierten Kommunikationssystemen durchführt, und von QURV, dem Spin‑off des ICFO, das breitbandige Bildsensortechnologien zur Verbesserung von Computer‑Vision‑Anwendungen entwickelt, durchgeführt.

Die Studie stellte eine neue Methode zur Herstellung nicht‑toxischer kolloidaler Quantenpunkte vor, die funktional, von hoher Qualität und mit CMOS‑Technologie integrierbar sind. CMOS ist die heute am weitesten verbreitete Technologie in der Chip‑ oder Mikrochip‑Industrie, um integrierte Schaltkreise (ICs) zu bilden. Diese Halbleitertechnologie wird in den neuesten CPUs und Smartphones verwendet.

Durch die Integration von CQDs in CMOS kann das SWIR‑Spektrum erschlossen werden, jedoch gibt es eine Hürde, diese SWIR‑sensitiven Quantenpunkte zu einer kommerziell nutzbaren Technologie zu machen. Dies liegt an der Präsenz von Schwermetallen wie Blei oder Quecksilber, die durch die RoHS‑Richtlinie (Restriction of Hazardous Substances), eine europäische Verordnung, die Verwendung dieser Materialien in Verbraucher‑Elektronik reguliert, beschränkt werden.

Während das Team nach Wegen suchte, AgBiTe2‑ oder Silber‑Bismut‑Tellurid‑Nanokristalle zu synthetisieren, um die Abdeckung der AsBiS2‑Technologie zu erweitern und die Leistung von Photovoltaik‑Geräten zu steigern, entstand als Nebenprodukt Silber‑Tellurid (Ag2Te).

Ag2Te zeigte eine starke quanten‑konfinierte Absorption, ähnlich wie Quantenpunkte, die einstellbar ist. Als das Team das Potenzial von Silber‑Tellurid für SWIR‑Photodetektoren und Bildsensoren erkannte, richtete es seine Bemühungen darauf, einen neuen Prozess zur Synthese phosphin‑freier Versionen dieser Ag2Te‑Quantenpunkte zu entwickeln. Phosphin erwies sich als schädlich für die optoelektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte, die für die Photodetektion relevant sind.

Um Quantenpunkte aus Ag2Te bzw. Silber‑Tellurid ohne Phosphin und mit einstellbarer Größe zu synthetisieren, nutzte die Studie eine neue Methode, die zudem die vorteilhaften Eigenschaften herkömmlicher Schwermetall‑Gegenstücke beibehielt und damit die Grundlage für die großtechnische Produktion von SWIR‑kolloidalen Quantenpunkt‑Technologien legte.

In der neuen Synthesemethode verwendeten die Forscher phosphin‑freie Komplexe wie Silber‑Vorgänge und Tellur. Dadurch konnten sie Quantenpunkte mit gut kontrollierter Größenverteilung und exzitonen‑Peaks über ein sehr breites Spektralband erzeugen. Diese Quantenpunkte zeigten bemerkenswerte Leistungen. Im Vergleich zur vorherigen Quantenpunkt‑Herstellung mit phosphin‑basierten Techniken erzielte das Team einen beispiellosen Erfolg in Form von deutlichen exzitonen‑Peaks über 1500 nm.

Mit diesen phosphin‑freien Quantenpunkten fertigte das Team anschließend einen einfachen Labor‑Skalen‑Photodetektor auf einem Glas‑Substrat, das mit Indium‑Zinn‑Oxid (ITO) beschichtet war – ein gängiger Standard – um deren Eigenschaften und Leistung zu beurteilen. 

Das Team stand anschließend vor der „herausfordernden Aufgabe“, die Gerätekonfiguration umzukehren, da die Labor‑Skalen‑Geräte das Licht von unten einstrahlen. Der Mitautor der Studie, Yongjie Wang, Post‑Doc‑Forscher am ICFO, bemerkte:

„Bei in CMOS integrierten CQD‑Stacks kommt das Licht von oben, während der untere Teil des Geräts von der CMOS‑Elektronik übernommen wird.“

Die Photodiode zeigte zunächst eine geringe Leistung bei der Erfassung von SWIR‑Licht, sodass das Team Anpassungen vornahm, einschließlich einer Puffer‑Schicht, die ihre Leistung deutlich verbesserte. Das Redesign führte zu einer SWIR‑Photodiode mit einem Spektralbereich von 350 nm bis 1600 nm. Gleichzeitig überstieg der lineare Dynamikbereich 118 dB, und die -3 dB‑Bandbreite lag über 110 kHz. Die SWIR‑Photodiode wies zudem bei Raumtemperatur eine Detektivität von etwa 10¹² Jones auf.

„Soweit wir wissen, haben die hier berichteten Photodioden erstmals lösungs‑verarbeitete, nicht‑toxische Kurzwellinfrarot‑Photodioden realisiert, deren Leistungskennzahlen mit denen anderer schwermetallhaltiger Gegenstücke vergleichbar sind.“

– sagte ICREA‑Prof. am ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Er fügte weiter hinzu:

„Diese Ergebnisse untermauern weiter die Tatsache, dass Ag2Te‑Quantenpunkte ein vielversprechendes, RoHS‑konformes Material für kostengünstige, hochleistungsfähige SWIR‑Photodetektor‑Anwendungen darstellen.“

Potenzielle Anwendungsfälle von SWIR‑Bildsensoren in der realen Welt

Nachdem die ICFO‑Forscher Lucheng Peng, Aditya Malla und Wang, unter der Leitung von Konstantatos, erfolgreich einen schwermetall‑freien, Quantenpunkt‑basierten Photodetektor entwickelt hatten, arbeiteten sie mit den Qurv‑Forscher:innen Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black und Julien Schreier zusammen, um einen SWIR‑Bildsensor zu erstellen.

Im Gespräch über die Entwicklung hochleistungsfähiger Infrarot‑Photodetektoren und eines nicht‑toxischen, kolloidalen Quantenpunkt‑basierten SWIR‑Bildsensors, der bei Raumtemperatur arbeitet, bemerkten die Forscher, dass sie den neu gestalteten Photodetektor anschließend mit einem CMOS‑basierten ROIC (Read‑Out‑Integrated‑Circuit, das Hauptelement von Kameras und hinter den Photodetektoren positioniert) FPA integriert haben.

Um den Betrieb des Sensors im SWIR zu demonstrieren, wurde er getestet, indem mehrere Aufnahmen der Transmission von Siliziumwafern unter Beleuchtung gemacht wurden. Das Team konnte zudem den Inhalt von Plastikflaschen sehen, die im sichtbaren Lichtbereich nicht erkennbar waren.

Das ist jedoch nicht alles. Im nächsten Schritt möchte das Team die Photodioden‑Leistung durch Engineering der verschiedenen Schichten des Geräts verbessern. Darüber hinaus beabsichtigen die Forscher, neue Oberflächenchemien für Silber‑Tellurid‑Quantenpunkte zu untersuchen, um nicht nur deren Leistung zu steigern, sondern auch die Umweltstabilität zu verbessern.

Für den Moment jedoch, die Fähigkeit des Sensors, mit einer kostengünstigen Technologie für Verbraucher‑Elektronik das SWIR‑Spektrum zu nutzen, laut Konstantatos:

„Wird das Potenzial dieses Spektralbereichs mit einer Vielzahl von Anwendungen freisetzen, darunter verbesserte Vision‑Systeme für die Automobilindustrie (Autos), die Sicht und Fahrbetrieb bei widrigen Wetterbedingungen ermöglichen.“

Zusätzlich zu Automobilanwendungen bemerkte er, dass es ein augensicheres Fenster ohne Hintergrundlicht bei Tag und Nacht bieten könnte, wodurch LiDAR und 3D‑Bildgebung für Augmented‑Reality‑ (AR) und Virtual‑Reality‑ (VR) Anwendungen ermöglicht werden.

Im Bereich der Robotik können diese Sensoren besonders hilfreich für Objekterkennung und Navigation sein, da sie Bilder durch bestimmte Materialien und bei schwachem Licht erfassen können. Auf diese Weise können sie die Wahrnehmung der Umgebung für Roboter verbessern und ihnen eine effektivere Navigation ermöglichen. Zudem können diese Sensoren zur Hindernisvermeidung selbst in völliger Dunkelheit eingesetzt werden, was die sichere Navigation weiter unterstützt.

Entwicklung und Integration von Infrarottechnologien

FLIR Systems, das Teil von Teledyne Technologies ist, ist ein Unternehmen, das an der Entwicklung und Integration von Infrarottechnologien wie SWIR‑Sensoren in der Robotik arbeitet. Ende 2023 stellte Teledyne das ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) auf der Defence Security and Equipment International Messe in London vor. 

Die Entwicklung dauerte fast fünf Jahre, häufig in Zusammenarbeit mit dem norwegischen Verteidigungsministerium. Das Gerät ist für einen autonomen Einsatz konzipiert. Es sendet Live‑Bilder und Zielinformationen zurück an die Fahrzeugbesatzungen und kann zur Minensuche, Inspektionen unter Brücken und zur Erkennung improvisierter Sprengstoffe eingesetzt werden. Es bietet zudem hochpräzise Aufklärung, Überwachung und Zielerfassung und kann auch Operationen ohne GPS durchführen. Um eine „sehr hohe“ Präzision zu gewährleisten, nutzt das Gerät ein proprietäres Tracking‑System, das LED‑Technologie mit einer SWIR‑Kamera kombiniert.

Weitere führende Unternehmen in diesem Bereich sind Rockwell Automation, iRobot, ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group und Sony.

Heutzutage können SWIR‑Bildsensoren in Elektrofahrzeugen (EVs) deren Vision‑Systeme verbessern, indem sie zuverlässige Bildgebung ermöglichen, die ein effizienteres und sichereres Fahren unter schwierigen Bedingungen erlaubt. Diese Sensoren können zudem zur Entwicklung von Nachtsichtsystemen beitragen und helfen, Objekte in unterschiedlichen Lichtsituationen zu erkennen und zu unterscheiden, was für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) von Vorteil ist, die zunehmend in autonomen Fahrzeugen (AVs) eingesetzt werden, um die Verkehrssicherheit zu erhöhen.

Sensortechnologien für die Automobilindustrie

Luminar Technologies ist ein Unternehmen, das an Sensortechnologien für die Automobilindustrie arbeitet, insbesondere an LiDAR‑Technologie. Der US‑LiDAR‑Hersteller plant, in den nächsten fünf Jahren eine Million mit Luminar ausgestattete Autos in China auf den Markt zu bringen.

Das börsennotierte Unternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 1,657 Mrd. $, wobei die Aktien bei 3,23 $ gehandelt werden, etwa 3 % im Jahresverlauf gesunken. Das Unternehmen verzeichnete einen Umsatz (TTM) von 58,791 Mio. $, ein EPS (TTM) von -1,50 und ein KGV (TTM) von -2,17.

Inzwischen führen Unternehmen wie Tesla, VW Group, GM, BMW Group und Hyundai Motor die EV‑Industrie an.

Augmented Reality und Virtual Reality

Heutzutage, in der Welt von AR und VR, wo präzise Tiefenwahrnehmung und Objekterkennung entscheidend sind, können diese SWIR‑Sensoren sehr nützlich sein, um immersivere AR‑ und VR‑Erlebnisse zu ermöglichen. Sie können zudem eingesetzt werden, um die Bildqualität in herausfordernden Umgebungen zu erhalten und AR‑Anwendungen zu erlauben, digitale Informationen über das Sichtfeld des Nutzers zu legen, selbst wenn Objekte im sichtbaren Lichtspektrum nicht direkt sichtbar sind. Da es sich um eine kostengünstige Technologie handelt, können durch die Integration von SWIR‑Bildsensoren in Verbrauchergeräte diese einem breiten Publikum zugänglich gemacht werden, was zu neuen Anwendungen und Erlebnissen führt.

Sony ist ein prominenter Name in der AR‑Welt, der Bildsensoren, einschließlich CMOS‑Technologie, nutzt. Sony kündigte an den IMX992 SWIR‑Bildsensor mit 5,32 effektiven Megapixeln und einer Pixelgröße von 3,45 µm für Industrieanlagen. Um Licht effizient zu erfassen, verfügt der Sensor über eine optimierte Pixelstruktur, die hochauflösende Bildgebung über ein breites Spektrum ermöglicht. 

Mit einer Marktkapitalisierung von 115 Mrd. $, werden SONYs Aktien bei 91,22 $ gehandelt. Das Unternehmen verzeichnete einen Umsatz (TTM) von 84,834 Mrd. $, ein EPS (TTM) von 4,72, ein KGV (TTM) von 19,33 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 12,45 %. Sony zahlt zudem eine Dividendenrendite von 0,61 %.

Weitere prominente Namen in diesem Bereich sind Microsoft, Google, AMD, NVIDIA, Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms und Unity.

Klicken Sie hier für die Liste der zehn besten Augmented‑Reality‑ und Virtual‑Reality‑Aktien.

Fazit

Wie wir gesehen haben, ermöglicht die Empfindlichkeit von CMOS‑SWIR‑Sensoren gegenüber Licht im Kurzwellinfrarot‑Spektrum das Erfassen von Bildern jenseits des Bereichs herkömmlicher sichtbarer Lichtsensoren, was sie in Anwendungen, bei denen die Sichtbarkeit durch bestimmte Materialien oder bei schlechten Lichtverhältnissen entscheidend ist, wertvoll macht. 

Auf diese Weise kann es beispiellose Leistung und Zuverlässigkeit in großvolumigen, computer‑vision‑zentrierten Anwendungen in verschiedenen Branchen wie Automobilindustrie, Servicerobotik, AR, VR und dem Markt für Verbraucher‑Elektronik bieten. In Zukunft, wenn die Technologie weiter voranschreitet, kann die Integration dieser Sensoren auch in anderen Bereichen, etwa der Weltraumerforschung, expandieren.