CMOS Set van Kortgolvige Infraroodsensoren – Het Ongeziene Interpreteren

In een nieuwe studie, hebben onderzoekers een nieuwe high‑performance SWIR‑beeldsensor ontwikkeld op basis van niet‑giftige colloïdale quantumdots. Kortgolvige infrarood of SWIR is een golflengteband van licht tussen 900 nm en 2500 nm, ver buiten het zichtbare spectrum dat zich uitstrekt van 400 nm tot 700 nm. SWIR‑beeldvorming vereist sensoren die in dit bereik kunnen functioneren.

Terwijl conventionele systemen die gebruikmaken van charge‑coupled devices (CCD) en complementary metal‑oxide semiconductor (CMOS) beeldsensoren beelden binnen het zichtbare lichtspectrum redelijk effectief kunnen vastleggen, kunnen systemen die SWIR‑technologie benutten beelden vastleggen in diepere golflengten binnen het infraroodspectrum. Dit stelt de systemen in staat details te zien zelfs buiten het zichtbare spectrum.

Golflengten die langer zijn dan de zichtbare kunnen alleen door speciale sensoren worden waargenomen. En hoewel licht in het kortgolvige infrarood (SWIR) gebied onzichtbaar is voor het oog, interageert dit licht met objecten op een vergelijkbare manier als zichtbare golflengten.

Net als zichtbaar licht weerkaatst SWIR‑licht van objecten en is reflecterend, waardoor er schaduwen en contrast in de beelden ontstaan. Omdat SWIR‑beelden niet in kleur maar alleen in zwart‑wit zijn, zijn objecten gemakkelijk herkenbaar en is individuele identificatie mogelijk. SWIR‑beeldvorming heeft bovendien de mogelijkheid om door glas heen te beelden.

SWIR heeft dus veel potentieel dankzij zijn kleine formaat, laag stroomverbruik, hoge gevoeligheid en resolutie, en goedkope lenzen voor het zichtbare spectrum, evenals het vermogen om baken‑ en laserstralen te detecteren die onopgemerkt blijven en in het licht van de nachtelijke hemelstraling.

Daarom maakt kortgolvige infraroodbeeldvorming veel mogelijk in industriële en wetenschappelijke toepassingen, waaronder inspectie van siliciumwafers, profilering van laserstralen, medische beeldvorming, machine‑vision, chemische en kunststofdetectie, landbouwsensoren, bewakingssystemen en hyperspectrale beeldvorming, naast gebruik voor anti‑vervalsing, vochtdetectie en sortering. Bovendien wordt het gebruikt in gezichtsherkenningssensoren in mobiele telefoons, voor doelidentificatie en camouflage‑detectie in de defensie, en door autonome voertuigen in schaduwrijke omgevingen.

Typisch worden InGaAs‑sensoren gebruikt bij SWIR‑beeldvorming. InGaAs, of indium‑gallium‑arsenide, is een legering die wordt gebruikt bij de productie van bepaalde halfgeleiders voor fotonische toepassingen. Deze sensoren worden ingezet in toepassingen die golflengten in het bereik van 900‑1700 nm vereisen. Ze zijn echter duur en ondervinden uitdagingen met betrekking tot hogere resolutie‑arrays, gevoeligheid voor temperatuurschommelingen en een beperkt spectraal bereik.

Klik hier om te leren hoe lasers een cruciale rol zullen spelen in de komende decennia.

Niet‑giftige quantumdot‑gebaseerde SWIR‑beeldsensoren

Dus heeft de nieuwe studie een nieuwe niet‑giftige colloïdale quantumdot‑gebaseerde high‑performance SWIR‑beeldsensor ontwikkeld. SWIR‑gevoelige beeldsensoren kunnen niet alleen betrouwbaar functioneren onder ongunstige omstandigheden zoals mist, fel zonlicht, nevel en rook, maar hun bereik biedt ook een lichtbron die veilig is voor de ogen. Op deze manier opent SWIR de mogelijkheid om de eigenschappen van materialen te bepalen via moleculaire beeldvorming. 

Colloïdale quantumdots (CQD)‑gebaseerde beeldsensor‑technologie biedt hier een veelbelovend technologisch platform om beeldsensoren met hoge volume‑compatibiliteit in het nabij‑infrarood te leveren.

Quantumdots zijn door de mens gemaakte kleine deeltjes of nanoschaal‑kristallen die voor het eerst werden ontdekt in 1980 en unieke elektronische en optische eigenschappen vertonen. Dit omvat het vermogen om elektronen te transporteren en kenmerkende kleuren te produceren. Deze kunstmatig gesynthetiseerde halfgeleider‑nanodeeltjes hebben een grootte van 2 tot 10 nanometer, ongeveer 10‑50 atomen in diameter, en hebben een breed scala aan toepassingen, waaronder zonnecellen, LED’s en vaste‑staat verlichting, displays, fotovoltaïsche systemen, transistors, ultrafast all‑optische schakelaars, logische poorten, fluorescerende biologische labeling, quantum‑computing, medische beeldvorming, biosensoren en meer.

De nieuwste studie werd gepubliceerd in Nature Photonics en betrof onderzoekers van ICFO, het Institute of Photonic Sciences, dat experimenten uitvoert op klassieke en quantum‑communicatiesystemen, en QURV, een spin‑off van ICFO die breed‑spectrum beeldsensor‑technologieën ontwikkelt om verbeterde computer‑visie‑toepassingen mogelijk te maken.

De studie presenteerde een nieuwe methode voor het vervaardigen van niet‑giftige colloïdale quantumdots die functioneel, van hoge kwaliteit en integreerbaar met CMOS‑technologie zijn. CMOS is de technologie die tegenwoordig het breedst wordt gebruikt in de chip‑ of microchip industrie om geïntegreerde schakelingen (IC’s) te vormen. Deze halfgeleidertechnologie wordt gebruikt in de nieuwste CPU’s en smartphones.

Door CQDs met CMOS te integreren kan het SWIR‑bereik worden benaderd, hoewel er een hindernis is om deze SWIR‑gevoelige quantumdots om te zetten in een commercieel bruikbare technologie. Dit komt door de aanwezigheid van zware metalen zoals lood of kwik, die onder de Restriction of Hazardous Substances (RoHS) regelgeving vallen, een Europese regelgeving die het gebruik van deze materialen in commerciële consumentenelektronica reguleert.

Terwijl het team manieren onderzocht om AgBiTe2‑ of zilver‑bismut‑telluride‑nanokristallen te synthetiseren om de dekking van de AsBiS2‑technologie uit te breiden met als doel de prestaties van fotovoltaïsche apparaten te verhogen, verkregen ze een bijproduct tijdens het proces, namelijk zilver‑telluride (Ag2Te).

Ag2Te toonde een sterke kwantum‑geconfineerde absorptie, vergelijkbaar met quantumdots, die aanpasbaar is. Toen het team het potentieel van zilver‑telluride voor SWIR‑fotodetectoren en beeldsensoren inzag, richtten ze hun focus en inspanningen op het ontwikkelen van een nieuw proces om fosfine‑vrije versies van deze Ag2Te‑quantumdots te synthetiseren. Fosfine bleek een schadelijk effect te hebben op de opto‑elektronische eigenschappen van quantumdots die relevant zijn voor fotodetectie.

Om quantumdots van Ag2Te of zilver‑telluride te synthetiseren zonder fosfine en met een aanpasbare grootte, gebruikte de studie een nieuwe methode die tevens de voordelige eigenschappen van traditionele zware‑metaal tegenhangers behield, wat de basis legde voor SWIR‑colloïdale quantumdot‑technologie voor grootschalige productie.

In de nieuwe synthetische methode gebruikten onderzoekers fosfine‑vrije complexen zoals zilver‑precursors en tellurium. Hierdoor konden ze quantumdots verkrijgen met een goed gecontroleerde grootteverdeling en excitonpieken over een zeer breed spectrum. Deze quantumdots toonden opmerkelijke prestaties. Vergeleken met eerdere quantumdot‑fabricage met fosfine‑gebaseerde technieken, behaalde het team een ongekende prestatie in de vorm van duidelijke excitonpieken boven 1500 nm.

Met deze fosfine‑vrije quantumdots creëerde het team vervolgens een eenvoudige laboratorium‑schaal fotodetector op een glazen substraat bedekt met Indium Tin Oxide (ITO), een gangbare standaard, om hun eigenschappen en prestaties te beoordelen. 

Het team kreeg vervolgens een “uitdagende taak” om de apparaatconfiguratie om te keren, aangezien de laboratorium‑schaal apparaten werken door licht van onderaf te laten schijnen. De medeauteur van de studie, Yongjie Wang, een postdoc‑onderzoeker bij ICFO, merkte op dat:

“Voor CMOS‑geïntegreerde CQD‑stapels komt het licht van boven, terwijl het onderste deel van het apparaat wordt ingenomen door de CMOS‑elektronica.”

De fotodiode toonde aanvankelijk een lage prestatie bij het detecteren van SWIR‑licht, dus paste het team aan door een bufferlaag toe te voegen, wat de prestatie aanzienlijk verbeterde. Het herontwerp resulteerde in een SWIR‑fotodiode met een spectraal bereik van 350 nm tot 1600 nm. Ondertussen overschreed het lineaire dynamisch bereik 118 dB, en een -3 dB bandbreedte overschreed 110 kHz. De SWIR‑fotodiode had bovendien een detectiviteit bij kamertemperatuur van de orde 10¹² Jones.

“Voor zover wij weten, hebben de hier gerapporteerde fotodiodes voor het eerst oplossing‑geprocessede, niet‑giftige kortgolvige infrarood‑fotodiodes gerealiseerd met prestatie‑cijfers die vergelijkbaar zijn met die van andere tegenhangers die zware metalen bevatten.”

– aldus ICREA‑professor aan ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Voorts zei hij:

“Deze resultaten ondersteunen verder het feit dat Ag2Te‑quantumdots een veelbelovend RoHS‑conform materiaal zijn voor goedkope, high‑performance SWIR‑fotodetector‑toepassingen.”

Potentiële Toepassingen van SWIR‑beeldsensoren in de Praktijk

Na dat ICFO‑onderzoekers Lucheng Peng, Aditya Malla en Wang, onder leiding van Konstantatos, met succes een zware‑metaal‑vrije quantumdot‑gebaseerde fotodetector ontwikkelden, werkten ze samen met Qurv‑onderzoekers Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black en Julien Schreier om een SWIR‑beeldsensor te creëren.

Met betrekking tot de ontwikkeling van high‑performance infrarood‑fotodetectoren en een niet‑giftige colloïdale quantumdot‑gebaseerde SWIR‑beeldsensor die bij kamertemperatuur werkt, merkten de onderzoekers op dat ze vervolgens de herontworpen fotodetector integreerden met een CMOS‑gebaseerde ROIC (read‑out integrated circuit, het belangrijkste onderdeel van camera’s en geplaatst achter de fotodetectoren) FPA.

Om de werking van de sensor in het SWIR‑gebied te bewijzen, werd deze getest door verschillende foto’s te maken van de transmissie van siliciumwafers onder licht. Het team kon ook de inhoud van plastic flessen zien die niet waarneembaar waren in het zichtbare lichtspectrum.

Dit is echter niet alles. In de volgende stap is het team geïnteresseerd in het verbeteren van de fotodiode‑prestaties door de verschillende lagen van het apparaat te optimaliseren. Bovendien zijn de onderzoekers van plan nieuwe oppervlakte‑chemieën voor zilver‑telluride‑quantumdots te onderzoeken om niet alleen hun prestaties te versterken, maar ook hun milieustabiliteit te verbeteren.

Voorlopig echter, de mogelijkheid van de sensor om toegang te krijgen tot het SWIR met een goedkope technologie voor consumentenelektronica, volgens Konstantatos:

“Zal het potentieel van dit spectrale bereik ontketenen met een enorme reeks toepassingen, waaronder verbeterde visionsystemen voor de auto‑industrie (auto’s) die visie en rijden onder ongunstige weersomstandigheden mogelijk maken.”

Naast autotoepassingen merkte hij op dat het ook een oogveilige venster kan bieden, vrij van achtergrondlicht zowel overdag als ‘s nachts, waardoor LiDAR en 3D‑beeldvorming voor augmented reality (AR) en virtual reality (VR) toepassingen mogelijk worden.

Op het gebied van robotica kunnen deze sensoren bijzonder nuttig zijn voor objectdetectie en navigatie dankzij hun vermogen om beelden door bepaalde materialen en bij weinig licht vast te leggen. Op deze manier kunnen ze de perceptie van de omgeving voor robots verbeteren, waardoor ze effectiever kunnen navigeren. Bovendien kunnen deze sensoren ook worden gebruikt voor obstakelvermijding zelfs in volledige duisternis, wat bijdraagt aan veilige navigatie.

Ontwikkeling en Integratie van Infraroodtechnologieën

FLIR Systems, dat deel uitmaakt van Teledyne Technologies (TDY ), is een bedrijf dat werkt aan de ontwikkeling en integratie van infraroodtechnologieën zoals SWIR‑sensoren in robotica. Eind 2023 onthulde Teledyne het ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) op de Defence Security and Equipment International beurs in Londen. 

In ontwikkeling gedurende bijna vijf jaar, vaak in samenwerking met het Noorse Ministerie van Defensie, is het apparaat ontworpen om autonoom te lanceren. Het stuurt live‑beelden en doelinformatie terug naar de voertuigbemanning en kan worden gebruikt voor het opsporen van mijnen, inspecties onder bruggen en geïmproviseerde explosieven. Het beschikt ook over hoge precisie‑recon, bewaking en doelverwerving en kan GPS‑vrije operaties uitvoeren. Om “zeer hoge” precisie te garanderen, maakt het apparaat gebruik van een propriëtair volgsysteem dat LED‑technologie met een SWIR‑camera benut.

Andere bedrijven die de sector leiden zijn onder meer Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group en Sony.

Nu, in elektrische voertuigen (EV’s), kan de SWIR‑beeldsensor hun visionsystemen verbeteren door betrouwbare beeldvorming te bieden, waardoor efficiënter en veiliger rijden onder ongunstige omstandigheden mogelijk wordt. Deze sensoren kunnen ook bijdragen aan de ontwikkeling van nachtzichtsystemen en helpen bij het herkennen en onderscheiden van objecten in verschillende verlichtingsscenario’s, wat gunstig is voor geavanceerde rijhulpsystemen (ADAS), die steeds vaker worden gebruikt in autonome voertuigen (AV’s) om de verkeersveiligheid te verbeteren.

Detectietechnologieën voor de Auto‑industrie

Luminar Technologies is een bedrijf dat werkt aan detectietechnologieën voor de auto‑industrie, met name LiDAR‑technologie. De Amerikaanse LiDAR‑fabrikant is van plan om de komende vijf jaar één miljoen auto’s uitgerust met Luminar in China te lanceren.

Het beursgenoteerde bedrijf heeft een marktkapitalisatie van 1,657 mlrd met aandelen die handelen tegen $3,23, ongeveer 3 % daling jaar‑tot‑datum. Het bedrijf heeft een omzet (TTM) van $58,791 mln, EPS (TTM) van -1,50, en P/E (TTM) van -2,17.

Ondertussen leiden bedrijven als Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group en Hyundai Motor de EV‑industrie.

Augmented Reality en Virtual Reality

Nu, in de wereld van AR en VR, waar nauwkeurige dieptewaarneming en objectherkenning essentieel zijn, kunnen deze SWIR‑sensoren zeer nuttig zijn om meer meeslepende AR‑ en VR‑ervaringen te bieden. Ze kunnen bovendien worden ingezet om de beeldkwaliteit te behouden in uitdagende omgevingen en AR‑toepassingen in staat stellen digitale informatie over het gezichtsveld van de gebruiker te projecteren, zelfs wanneer objecten niet direct zichtbaar zijn in het zichtbare lichtspectrum. Omdat het een goedkope technologie is, betekent de integratie van SWIR‑beeldsensoren in consumententoestellen dat ze een breed publiek kunnen bereiken, wat leidt tot nieuwe toepassingen en ervaringen.

Sony is een prominente naam in de AR‑wereld die gebruikmaakt van beeldsensoren, inclusief CMOS‑technologie. Enkele maanden geleden kondigde Sony de IMX992-SWIR-beeldsensor aan, met 5,32 effectieve megapixels en een pixelgrootte van 3,45 μm voor industriële apparatuur. Om licht efficiënt op te vangen, heeft de sensor een geoptimaliseerde pixelstructuur die beeldvorming in hoge resolutie over een breed spectrum mogelijk maakt. 

Met een marktkapitalisatie van $115 mlrd, worden de aandelen van SONY verhandeld tegen $91,22. Het bedrijf rapporteerde een omzet (TTM) van $84,834 mlrd en heeft een EPS (TTM) van 4,72, P/E (TTM) van 19,33, en ROE (TTM) van 12,45 %. Sony betaalt bovendien een dividendrendement van 0,61 %.

Andere prominente namen in dit veld zijn onder meer Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) en Unity.

Klik hier voor de lijst van de tien beste augmented reality‑ en virtual reality‑aandelen.

Conclusie

Zoals we hebben gezien, stelt de gevoeligheid van CMOS‑SWIR‑sensoren voor licht in het kortgolvige infraroodspectrum hen in staat beelden vast te leggen buiten het bereik van traditionele zichtbare‑lichtsensoren, waardoor ze waardevol zijn in toepassingen waarbij zichtbaarheid door bepaalde materialen of bij weinig licht cruciaal is. 

Op deze manier kan het ongekende prestaties en betrouwbaarheid bieden in grootschalige, computer‑vision‑gerichte toepassingen in verschillende sectoren zoals de auto‑industrie, service‑robotica, AR, VR en de consumentenelektronica‑markt. In de toekomst, naarmate de technologie blijft evolueren, kan de integratie van deze sensoren zich uitbreiden naar andere gebieden, zoals ruimteverkenning.