CMOS 短波赤外線センサーセット – 見えないものを解釈する

ある新しい研究、研究者は非毒性コロイド量子ドットに基づく新しい高性能SWIRイメージセンサーを開発しました。 短波赤外線（SWIR）は、可視光スペクトル（400nm〜700nm）をはるかに超える、900nmから2500nmの波長帯です。SWIRイメージングには、この範囲で動作できるセンサーが必要です。

従来の電荷結合素子（CCD）や相補型金属酸化膜半導体（CMOS）イメージセンサーを使用したシステムは可視光スペクトル内の画像をかなり効果的に撮影できますが、SWIR技術を活用するシステムは赤外線スペクトルのより深い波長で画像を撮影できます。これにより、可視光スペクトル外のディテールも見ることができます。

可視光より長い波長は専用のセンサーでしか検出できません。 そして、短波赤外線（SWIR）領域の光は目に見えませんが、可視光と同様に物体と相互作用します。

可視光と同様に、SWIR光は物体に反射し、反射光となるため、画像に影やコントラストが生じます。 SWIR画像はカラーではなく白黒のみであるため、物体が容易に識別でき、個体識別が可能です。 また、SWIRイメージングはガラスを透過して撮影することも可能です。

このように、SWIRは小型・低消費電力・高感度・高解像度、そして低コストの可視光レンズを備えており、さらに夜空の放射光の中で隠されたビーコンやレーザーを見ることができるため、大きな可能性を持っています。

このように、短波赤外線イメージングは、シリコンウェーハ検査、レーザービームプロファイリング、医療イメージング、機械ビジョンイメージング、化学・プラスチックセンシング、農業センシング、監視システム、ハイパースペクトルイメージングなど、産業・科学分野で多くのことを可能にします。また、偽造防止、湿度検知、選別にも利用されています。さらに、携帯電話の顔認識センサー、防衛分野のターゲット識別・カモフラージュ検知、影の多い環境での自律走行車にも活用されています。

通常、SWIRイメージングにはInGaAsセンサーが使用されます。InGaAs（インジウム・ガリウム・ヒ素）は、光子デバイス用の特定の半導体製造に使用される合金です。これらのセンサーは900〜1700nmの波長が必要な用途で使用されますが、価格が高く、解像度の高いアレイ、温度変動への感度、スペクトル範囲の制限といった課題があります。

クリックして、レーザーが今後数十年で重要な役割を果たす方法について学んでください。

非毒性量子ドットベースのSWIRイメージセンサー

このように、新しい研究では非毒性コロイド量子ドットを用いた高性能SWIRイメージセンサーを開発しました。SWIR感度を持つイメージセンサーは、霧や強い日光、霞、煙といった過酷な条件下でも信頼性高く動作できるだけでなく、目に安全な照明源も提供します。このように、SWIRは分子イメージングを通じて材料の特性を判定する可能性を開きます。

ここでのコロイド量子ドット（CQD）ベースのイメージセンサー技術は、近赤外領域で大量生産に適したイメージセンサーを提供する有望な技術プラットフォームです。

量子ドットは、1980年に初めて発見された人工的に作られた微小粒子またはナノスケール結晶で、独自の電子的・光学的特性を持ちます。これには電子の輸送や独特な色の生成が含まれます。人工合成されたこの半導体ナノ粒子のサイズは2〜10nmで、直径は約10〜50原子程度で、太陽電池、LED・固体照明、ディスプレイ、光起電力、トランジスタ、超高速全光スイッチ、論理ゲート、蛍光生体標識、量子コンピューティング、医療イメージング、バイオセンサーなど幅広い用途があります。

最新の研究はNature Photonicsに掲載され、ICFO（光子科学研究所）の研究者らが参加しました。ICFOは古典的および量子通信システムの実験を行っており、QURVはICFOのスピンオフ企業で、広スペクトルイメージセンサー技術を開発し、コンピュータビジョン応用を強化しています。

この研究は、機能的で高品質かつCMOS技術と統合可能な非毒性コロイド量子ドットの新しい製造方法を提示しました。CMOSは現在、チップまたはマイクロチップ産業で最も広く使用されている技術で、集積回路（IC）を形成します。この半導体技術は最新のCPUやスマートフォンに使用されています。

CQDをCMOSと統合することでSWIR領域にアクセスできますが、これらのSWIR感度量子ドットを商用技術に転換するには障壁があります。これは、鉛や水銀などの有害金属が含まれており、欧州の有害物質規制（RoHS）により商用電子機器での使用が規制されているためです。

チームは、太陽電池デバイスの性能向上を目的にAsBiS2技術のカバレッジを拡大するため、AgBiTe2または銀ビスマステルル化物ナノ結晶の合成方法を模索していた際、副産物として銀テルル（Ag2Te）を得ました。

Ag2Teは量子閉じ込め吸収が強く、量子ドットと同様に調整可能であることを示しました。チームは銀テルルがSWIRフォトディテクタおよびイメージセンサーに有望であると認識し、リン化水素フリーのAg2Te量子ドットを合成する新プロセスの開発に注力しました。リン化水素は実際に量子ドットの光電特性に有害な影響を与えることが判明しました。

リン化水素を含まず、サイズ調整可能なAg2Te（銀テルル）量子ドットを合成するために、本研究は従来の有害金属系と同様の有利な特性を保持しつつ新しい手法を用いました。これにより、大規模生産向けのSWIRコロイド量子ドット技術の基盤が築かれました。

新しい合成法では、研究者は銀前駆体やテルルなどのリン化水素フリー複合体を使用しました。これにより、サイズ分布が良好に制御された量子ドットと、非常に広いスペクトル範囲にわたる励起子ピークを得ることができました。これらの量子ドットは顕著な性能を示しました。リン化水素ベースの従来手法と比較して、チームは1500nm以上の明確な励起子ピークという前例のない成果を達成しました。

これらのリン化水素フリー量子ドットを用いて、チームはガラス基板上にインジウム錫酸化物（ITO）でコーティングした簡易的な実験室規模のフォトディテクタを作製し、特性と性能を評価しました。

チームは、実験室規模のデバイスが底部から光を照射して動作するため、装置の構成を逆転させるという「課題」に直面しました。本研究の共同著者でICFOのポストドクター研究者であるYongjie Wangは次のように述べています。

CMOS統合CQDスタックでは、光は上部から入射し、デバイスの底部はCMOS回路が占めます。

フォトダイオードは当初、SWIR光の感度が低く、チームはバッファ層を追加して性能を大幅に向上させました。再設計により、350nmから1600nmのスペクトル範囲を示すSWIRフォトダイオードが実現しました。また、線形ダイナミックレンジは118dBを超え、-3dB帯域幅は110kHzを上回りました。SWIRフォトダイオードは室温での検出度が10^12 Jonesオーダーでした。

我々の知る限り、ここで報告されたフォトダイオードは、初めて溶液プロセスで作製された非毒性短波赤外線フォトダイオードで、性能指標が他の有害金属含有デバイスと同等です。

– ICFOのICREA教授、Gerasimos Konstantatosが述べました。

さらに、彼は次のように述べました。

これらの結果は、Ag2Te量子ドットが低コストで高性能なSWIRフォトディテクタ用途に適したRoHS準拠材料として有望であることをさらに裏付けています。

SWIRイメージセンサーの実際の活用事例

ICFOの研究者Lucheng Peng、Aditya Malla、WangがKonstantatosの指導の下、重金属フリーの量子ドットベースフォトディテクタの開発に成功した後、Qurvの研究者Stijn Goossens、Yu Bi、Andres Black、Julien Schreierと協力してSWIRイメージセンサーを作成しました。

研究者は、常温で動作する高性能赤外線フォトディテクタと非毒性コロイド量子ドットベースのSWIRイメージセンサーの開発について語り、再設計したフォトディテクタをCMOSベースのROIC（読み出し集積回路、カメラの主要部品でフォトディテクタの背後に配置）FPAに統合したと述べました。

センサーのSWIRでの動作を証明するため、光を通したシリコンウェーハの透過画像を複数撮影しました。また、可視光では観測できなかったプラスチックボトルの内部も確認できました。

しかし、これだけではありません。次のステップでは、デバイスの各層を工学的に設計してフォトダイオードの性能向上を目指しています。さらに、研究者は銀テルル量子ドットの新しい表面化学を検討し、性能の向上だけでなく環境安定性の改善も図ろうとしています。

現時点では、コンシューマーエレクトロニクス向けに低コスト技術でSWIRにアクセスできるセンサーの能力について、Konstantatosは次のように述べています。

このスペクトル範囲の可能性を解き放ち、自動車産業向けの視覚システムの向上など、悪天候下での視認性と運転を可能にする多数の応用が期待されます。

自動車用途に加えて、昼夜問わずバックグラウンド光がなく、目に安全なウィンドウを提供できるため、拡張現実（AR）や仮想現実（VR）向けのLiDARや3Dイメージングも実現可能です。

ロボット工学の分野では、これらのセンサーは特定の材料や低照度条件を通して画像を取得できるため、物体検出やナビゲーションに特に有用です。これにより、ロボットの環境認識が向上し、より効果的に移動できるようになります。また、完全な暗闇でも障害物回避に利用でき、安全なナビゲーションを支援します。

赤外線技術の開発と統合

FLIR SystemsはTeledyne Technologies (TDY ) の一部で、ロボットにおけるSWIRセンサーなど赤外線技術の開発と統合に取り組んでいる企業の一つです。2023年後半、Teledyneはロンドンで開催されたDefence Security and Equipment International展示会で「Black Recon」車両偵察システム（VRS）を発表しました。 

約5年間にわたり、ノルウェー防衛省との協力も含めて開発されてきたこの装置は、自律的に起動するよう設計されています。ライブ映像とターゲット情報を車両乗員に送信し、地雷探知や橋下検査、即席爆発装置の処理に使用できます。また、高精度の偵察、監視、ターゲット取得が可能で、GPSが利用できない状況でも作動します。非常に高い精度を確保するために、LED技術とSWIRカメラを利用した独自の追跡システムを使用しています。

この分野をリードする他の企業には、Rockwell Automation (ROK ) 、iRobot 、ABB、Yaskawa、Fanuc、Yamaha Motor、Midea Group、Sonyが含まれます。

現在、電気自動車（EV）において、SWIRイメージセンサーは信頼性の高い画像を提供し、過酷な条件下での走行をより効率的かつ安全にすることでビジョンシステムを向上させます。また、ナイトビジョンシステムの開発に寄与し、さまざまな照明条件で物体を認識・区別できるため、先進運転支援システム（ADAS）に有益であり、自律走行車（AV）での道路安全性向上にますます利用されています。

自動車産業向けセンシング技術

Luminar Technologiesは、自動車産業向け、特にLiDAR技術のセンシング技術に取り組む企業です。この米国のLiDARメーカーは、今後5年間で中国でLuminar搭載車を100万台展開する計画です。

公開企業の時価総額は16億5700万ドルで、株価は3.23ドル（年初来約3%下落）です。売上高（TTM）は5,879.1万ドル、EPS（TTM）は-1.50、P/E（TTM）は-2.17です。

一方、Tesla (TSLA ) 、VW Group、GM、BMW Group、Hyundai MotorなどがEV業界をリードしています。

拡張現実と仮想現実

現在、ARとVRの世界では、正確な奥行き認識と物体認識が不可欠であり、これらのSWIRセンサーはより没入感のあるAR・VR体験を提供するのに非常に有益です。困難な環境でも画像品質を維持し、可視光で直接見えない物体でもユーザーの視界にデジタル情報を重ね合わせることが可能です。低コスト技術であるため、SWIRイメージセンサーをコンシューマーデバイスに統合すれば、広範なユーザーに提供でき、新たなアプリケーションや体験が生まれます。

SonyはAR分野で著名な企業で、CMOS技術を含むイメージセンサーを活用しています。数か月前、Sonyは産業機器向けに5.32メガピクセル、3.45μmピクセルサイズのIMX992 SWIRイメージセンサーを発表しました。光を効率的に捕捉するため、広いスペクトルで高精細なイメージングが可能な最適化されたピクセル構造を備えています。

時価総額1150億ドルで、SONYの株価は91.22ドルで取引されています。売上高（TTM）は848.34億ドル、EPS（TTM）は4.72、P/E（TTM）は19.33、ROE（TTM）は12.45%です。配当利回りは0.61%です。

この分野の他の著名企業には、Microsoft (MSFT ) 、Google、AMD、NVIDIA (NVDA ) 、Samsung、AMD、Magic Leap、Meta Platforms (META ) 、Unityが含まれます。

クリックして、ベスト10の拡張現実・仮想現実株のリストをご覧ください。

結論

ご覧のとおり、CMOS SWIRセンサーは短波赤外線スペクトルの光に感度があるため、従来の可視光センサーの範囲を超えて画像を撮影でき、特定の材料を通した可視性や低照度条件での可視性が重要な応用に価値があります。

このように、車載、サービスロボティクス、AR、VR、コンシューマーエレクトロニクス市場など、さまざまな産業の大量生産向けコンピュータビジョン第一のアプリケーションで、前例のない性能と信頼性を実現できます。将来的に技術が進歩し続けるにつれ、これらのセンサーの統合は宇宙探査など他の領域にも拡大するでしょう。