Capteurs CMOS à infrarouge court – Interpréter l’invisible

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont créé un nouveau capteur d’image SWIR à haute performance basé sur des points quantiques colloïdaux non toxiques. L’infrarouge court, ou SWIR, est une bande de longueurs d’onde de lumière comprise entre 900 nm et 2500 nm, bien au-delà du spectre visible qui va de 400 nm à 700 nm. L’imagerie SWIR nécessite des capteurs capables de fonctionner dans cette plage. 

Alors que les systèmes conventionnels utilisant des dispositifs à transfert de charge (CCD) et des capteurs d’image à semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire (CMOS) peuvent capturer des images dans le spectre visible de la lumière de manière très efficace, ceux qui utilisent la technologie SWIR peuvent capturer des images à des longueurs d’onde plus profondes dans le spectre infrarouge. Cela permet aux systèmes de voir des détails même en dehors du spectre visible.

Les longueurs d’onde plus longues que les visibles ne peuvent être vues que par des capteurs dédiés. Et bien que la lumière dans la région de l’infrarouge court (SWIR) soit invisible à l’œil, cette lumière interagit avec les objets de la même manière que les longueurs d’onde visibles. 

Comme la lumière visible, la lumière SWIR rebondit sur les objets et est une lumière réfléchie, et en conséquence, elle a des ombres et des contrastes dans ses images. Puisque les images SWIR ne sont pas en couleur mais seulement en noir et blanc, cela rend les objets facilement reconnaissables et permet une identification individuelle. L’imagerie SWIR peut également imager à travers le verre.

Ainsi, le SWIR a un grand potentiel en raison de sa petite taille, de sa faible consommation d’énergie, de sa haute sensibilité et de sa résolution, ainsi que de ses objectifs à bas coût pour le spectre visible, ainsi que de sa capacité à voir les balises et les lasers qui sont cachés et dans la lumière de la nuit.

Comme tel, l’imagerie infrarouge court rend de nombreuses choses possibles dans les applications industrielles et scientifiques, notamment l’inspection de plaquettes de silicium, le profilage de faisceau laser, l’imagerie médicale, l’imagerie de vision de machine, la détection de produits chimiques et de plastiques, la détection agricole, les systèmes de surveillance et l’imagerie hyperspectrale, en plus d’être utilisée pour la lutte contre la contrefaçon, la détection d’humidité et le tri. De plus, elle trouve également son cas d’utilisation dans les capteurs de reconnaissance faciale utilisés par les téléphones mobiles, pour l’identification cible et la détection de camouflage dans la défense, et par les véhicules autonomes dans les environnements ombragés.

Typiquement, les capteurs InGaAs sont utilisés dans l’imagerie SWIR. InGaAs, ou arseniate de gallium et d’indium, est un alliage utilisé dans la fabrication de certains semi-conducteurs pour une utilisation photonique. Ces capteurs sont utilisés dans des applications qui nécessitent des longueurs d’onde dans la plage de 900-1700 nm. Cependant, ils sont coûteux et rencontrent des défis en termes de matrices de haute résolution, de sensibilité aux variations de température et de plage spectrale limitée.

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Capteurs d’image SWIR à points quantiques non toxiques

Ainsi, la nouvelle étude a développé un nouveau capteur d’image SWIR à haute performance basé sur des points quantiques colloïdaux non toxiques. Les capteurs d’image avec une sensibilité SWIR peuvent non seulement fonctionner de manière fiable dans des conditions défavorables telles que la brume, la lumière directe du soleil, la brume et la fumée, mais leur plage fournit également une source d’éclairage qui est sans danger pour les yeux. De cette façon, le SWIR ouvre la possibilité de déterminer les qualités de la matière par imagerie moléculaire. 

La technologie de capteur d’image basée sur les points quantiques colloïdaux (CQD) offre ici une plate-forme technologique prometteuse pour fournir des capteurs d’image compatibles avec un volume élevé dans le proche infrarouge.

Les points quantiques sont de minuscules particules ou cristaux nanométriques fabriqués par l’homme qui ont été découverts pour la première fois en 1980 et présentent des propriétés électroniques et optiques uniques. Cela inclut la capacité de transporter des électrons et de produire des couleurs distinctives. Ces nanoparticules semi-conductrices synthétisées artificiellement ont une taille comprise entre 2 et 10 nanomètres, soit environ 10-50 atomes de diamètre, et ont un large éventail d’applications, notamment les cellules solaires, les LEDs et l’éclairage à l’état solide, les affichages, la photovoltaïque, les transistors, les commutateurs optiques ultra-rapides, les portes logiques, le marquage biologique fluorescent, l’informatique quantique, l’imagerie médicale, les biosenseurs, et bien plus encore.

L’étude la plus récente a été publiée dans Nature Photonics et a impliqué des chercheurs de l’ICFO, l’Institut des sciences photoniques, qui mène des expériences sur les systèmes de communication classiques et quantiques, et QURV, qui est la spin-off de l’ICFO qui développe des technologies de capteurs d’image à large spectre pour permettre des applications améliorées de vision informatique.

L’étude a présenté une nouvelle méthode de fabrication de points quantiques colloïdaux non toxiques qui sont fonctionnels, de haute qualité et intégrables avec la technologie CMOS. La technologie CMOS est la technologie la plus largement utilisée aujourd’hui dans l’industrie des puces ou des microprocesseurs pour former des circuits intégrés (IC). Cette technologie de semi-conducteur est utilisée par les derniers processeurs et les smartphones.

En intégrant les CQD avec la technologie CMOS, la plage SWIR peut être accédée, bien qu’il y ait une barrière pour transformer ces points quantiques sensibles au SWIR en une technologie qui peut être utilisée commercialement. Cela est dû à la présence de métaux lourds comme le plomb ou le mercure, qui sont soumis à des réglementations par la restriction des substances dangereuses (RoHS), une règle européenne qui réglemente l’utilisation de ces matériaux dans les applications électroniques grand public.

Alors que l’équipe explorait des moyens de synthétiser des nanocristaux d’AgBiTe2 ou de tellurure d’argent et de bismuth pour étendre la technologie AsBiS2 dans le but d’augmenter les performances des dispositifs photovoltaïques, ils ont obtenu un sous-produit pendant le processus, qui était le tellurure d’argent (Ag2Te).

Ag2Te a démontré une forte absorption quantique confinée, semblable à celle des points quantiques, qui est ajustable. Lorsque l’équipe a réalisé le potentiel du tellurure d’argent pour les photodétecteurs et les capteurs d’image SWIR, ils ont déplacé leur attention et leurs efforts pour concevoir un nouveau processus pour synthétiser des points quantiques d’Ag2Te sans phosphine. La phosphine s’est avérée avoir un effet nocif sur les propriétés optoélectroniques des points quantiques pertinentes pour la photodétection.

Pour synthétiser des points quantiques d’Ag2Te ou de tellurure d’argent sans phosphine et avec une taille ajustable, l’étude a utilisé une nouvelle méthode qui a également conservé les propriétés avantageuses des contreparties à métaux lourds traditionnels, ce qui a jeté les bases de la technologie de points quantiques colloïdaux SWIR pour une production à grande échelle.

Dans la nouvelle méthode de synthèse, les chercheurs ont utilisé des complexes sans phosphine tels que des précurseurs d’argent et du tellurium. Cela leur a permis d’avoir des points quantiques avec une distribution de taille bien contrôlée et des pics excitoniques sur une plage de spectre très large. Ces points quantiques ont montré des performances remarquables. Par rapport à la fabrication de points quantiques précédente utilisant des techniques à base de phosphine, l’équipe a réalisé une performance sans précédent sous la forme de pics excitoniques distincts au-delà de 1500 nm.

En utilisant ces points quantiques sans phosphine, l’équipe a ensuite créé un simple photodétecteur de laboratoire sur un substrat de verre recouvert d’oxyde d’indium-étain (ITO), qui est une norme courante, afin d’évaluer leurs propriétés et leur performance. 

L’équipe a ensuite eu une “tâche difficile” de réaménager la configuration de l’appareil, car les appareils de laboratoire fonctionnent en éclairant la lumière à partir de leur fond. L’auteur de l’étude, Yongjie Wang, un chercheur postdoctoral à l’ICFO, a noté que :

“Pour les piles de CQD intégrées au CMOS, la lumière vient du haut, tandis que la partie inférieure de l’appareil est prise en charge par l’électronique CMOS.” 

Le photodiode a initialement démontré une faible performance dans la détection de la lumière SWIR, l’équipe a donc apporté des ajustements pour inclure une couche tampon, ce qui a amélioré considérablement sa performance. La révision a abouti à un photodiode SWIR démontrant une plage spectrale allant de 350 nm à 1600 nm. Pendant ce temps, la plage dynamique linéaire a dépassé 118 dB, et une bande passante à -3dB a dépassé 110 kHz. Le photodiode SWIR a également eu une détection à température ambiante de l’ordre de 10^12 Jones.

“À notre connaissance, les photodiodes rapportées ici ont pour la première fois réalisé des photodiodes à infrarouge court traitées en solution, non toxiques, avec des figures de mérite égales à celles des contreparties contenant des métaux lourds.”

– a déclaré le professeur ICREA à l’ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

En ajoutant cela, il a dit :

“Ces résultats soutiennent encore le fait que les points quantiques Ag2Te émergent comme un matériau prometteur conforme à la réglementation RoHS pour des applications de photodétecteurs SWIR à faible coût et à haute performance.”

Cas d’utilisation réels des capteurs d’image SWIR

Après que les chercheurs de l’ICFO Lucheng Peng, Aditya Malla et Wang, dirigés par Konstantatos, aient développé avec succès un photodétecteur à points quantiques sans métaux lourds, ils ont collaboré avec les chercheurs de Qurv Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black et Julien Schreier pour créer un capteur d’image SWIR.

En parlant du développement de photodétecteurs infrarouges à haute performance et d’un capteur d’image SWIR à points quantiques non toxiques fonctionnant à température ambiante, les chercheurs ont noté qu’ils ont ensuite intégré le photodétecteur réaménagé avec un circuit intégré de lecture (ROIC) basé sur la technologie CMOS FPA.

Pour prouver le fonctionnement du capteur dans le SWIR, il a été testé en prenant plusieurs photos de transmission de plaquettes de silicium sous lumière. L’équipe a également pu voir le contenu de bouteilles en plastique qui n’étaient pas visibles dans la plage de lumière visible.

Ce n’est pas tout, cependant. Dans l’étape suivante, l’équipe est intéressée à améliorer les performances du photodiode en ingénieriant les différentes couches de l’appareil. De plus, les chercheurs ont l’intention d’examiner de nouvelles chimies de surface pour les points quantiques d’argent telluré pour non seulement améliorer leurs performances mais aussi améliorer leur stabilité environnementale.

Pour l’instant, cependant, la capacité du capteur à accéder au SWIR avec une technologie à faible coût pour les appareils électroniques grand public, selon Konstantatos :

“Va libérer le potentiel de cette plage spectrale avec une large gamme d’applications, notamment des systèmes de vision améliorés pour l’industrie automobile (voitures) permettant la vision et la conduite dans des conditions météorologiques défavorables.”

En plus des applications automobiles, il a noté qu’il pourrait également fournir une fenêtre sans danger pour les yeux, sans lumière de fond dans des conditions de jour et de nuit, permettant ainsi la technologie LiDAR et l’imagerie 3D pour la réalité augmentée (AR) et la réalité virtuelle (VR) ainsi que d’autres applications.

Dans le domaine de la robotique, ces capteurs peuvent être particulièrement utiles pour la détection d’objets et la navigation en raison de leur capacité à capturer des images à travers certains matériaux et dans des conditions de faible luminosité. Cela peut améliorer la perception de l’environnement par les robots, leur permettant de le naviguer plus efficacement. De plus, ces capteurs peuvent également être utilisés pour éviter les obstacles même dans l’obscurité totale, aidant ainsi à assurer une navigation sûre.

Développement et intégration de technologies infrarouges

FLIR Systems, qui fait partie de Teledyne Technologies, est une entreprise qui travaille sur le développement et l’intégration de technologies infrarouges comme les capteurs SWIR dans la robotique. Fin 2023, Teledyne a présenté le ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) à l’exposition Defence Security and Equipment International à Londres. 

En développement pendant près de cinq ans, souvent en coopération avec le ministère norvégien de la Défense, l’appareil est conçu pour être lancé de manière autonome. Il envoie des images et des informations de ciblage en temps réel aux équipages de véhicules et peut être utilisé pour balayer les mines, inspecter les ponts et les engins explosifs improvisés. Il dispose également d’une reconnaissance de haute précision, d’une surveillance et d’une acquisition de cibles et peut également effectuer des opérations sans GPS. Pour assurer une “très haute” précision, l’appareil utilise un système de suivi propriétaire qui utilise la technologie LED avec une caméra SWIR.

D’autres entreprises leaders dans ce domaine incluent Rockwell Automation, iRobot, ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group et Sony.

Maintenant, dans les véhicules électriques (EV), le capteur d’image SWIR peut améliorer leurs systèmes de vision en fournissant une imagerie fiable pour permettre une conduite plus efficace et plus sûre dans des conditions défavorables. Ces capteurs peuvent également contribuer au développement de systèmes de vision nocturne et aider à reconnaître et à distinguer les objets dans différents scénarios d’éclairage, ce qui est bénéfique pour les systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS), qui sont de plus en plus utilisés dans les véhicules autonomes (AV) pour améliorer la sécurité routière.

Technologies de détection pour l’industrie automobile

Luminar Technologies est une entreprise qui travaille sur les technologies de détection pour l’industrie automobile, en particulier la technologie LiDAR. Le fabricant de LiDAR américain prévoit de lancer 1 million de voitures équipées de Luminar en Chine dans les cinq prochaines années.

La société cotée en bourse a une capitalisation boursière de 1,657 milliard, avec des actions qui sont négociées à 3,23 $, en baisse d’environ 3 % depuis le début de l’année. L’entreprise a un chiffre d’affaires (TTM) de 58,791 millions, un BPA (TTM) de -1,50 et un ratio cours/bénéfice (TTM) de -2,17.

Pendant ce temps, des entreprises comme Tesla, VW Group, GM, BMW Group et Hyundai Motor sont leaders dans l’industrie des véhicules électriques.

Réality augmentée et virtuelle

Maintenant, dans le monde de la réalité augmentée (AR) et de la réalité virtuelle (VR), où une perception de la profondeur et une reconnaissance d’objets précises sont essentielles, ces capteurs SWIR peuvent être très bénéfiques pour fournir des expériences AR et VR plus immersives. Ils peuvent également être utilisés pour maintenir la qualité de l’image dans des environnements difficiles et permettre aux applications AR de superposer des informations numériques sur la vue de l’utilisateur, même lorsque les objets ne sont pas directement visibles dans le spectre de lumière visible. Le fait qu’il s’agisse d’une technologie à faible coût signifie que l’intégration de capteurs d’image SWIR dans les appareils grand public peut les rendre accessibles à un large public, conduisant à de nouvelles applications et expériences.

Sony est un nom important dans le monde de la réalité augmentée qui utilise des capteurs d’imagerie, notamment la technologie CMOS. Il y a quelques mois, Sony a annoncé le capteur d’image SWIR IMX992 avec 5,32 mégapixels effectifs et une taille de pixel de 3,45 μm pour les équipements industriels. Pour capturer la lumière de manière efficace, le capteur dispose d’une structure de pixel optimisée qui permet une imagerie haute définition sur un large spectre. 

Avec une capitalisation boursière de 115 milliards, les actions de SONY sont négociées à 91,22 $. L’entreprise a réalisé un chiffre d’affaires (TTM) de 84,834 milliards, un BPA (TTM) de 4,72, un ratio cours/bénéfice (TTM) de 19,33 et un ROE (TTM) de 12,45 %. Sony verse également un dividende de 0,61 %.

D’autres noms importants dans ce domaine incluent Microsoft, Google, AMD, NVIDIA, Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms et Unity.

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Conclusion

Comme nous l’avons vu, la sensibilité des capteurs CMOS SWIR à la lumière dans le spectre infrarouge court permet de capturer des images au-delà de la plage des capteurs de lumière visible traditionnels, ce qui les rend précieux dans les applications où la visibilité à travers certains matériaux ou dans des conditions de faible luminosité est critique. 

Cela peut rendre des performances et une fiabilité sans précédent dans des applications de vision informatique à grande échelle dans diverses industries telles que l’automobile, la robotique de service, la réalité augmentée, la réalité virtuelle et les marchés d’électronique grand public. À l’avenir, à mesure que la technologie continue de progresser, l’intégration de ces capteurs peut s’étendre à d’autres domaines, tels que l’exploration spatiale.