CMOS kortbølgestråle‑infrarøde sensorer – Tolke det usette

I en ny studie, forskere laget en ny høyytelses SWIR-bildesensor basert på ikke‑giftige kolloidale kvanteprikker. Kortbølgestråle‑infrarød eller SWIR er et bølgelengdeområde av lys mellom 900 nm og 2500 nm, langt utenfor det synlige spekteret som strekker seg fra 400 nm til 700 nm. SWIR‑bildedannelse krever sensorer som er i stand til å operere i dette området. 

Mens konvensjonelle systemer som bruker ladningskoblete enheter (CCD) og komplementære metall‑oksid‑semiconductor (CMOS) bildesensorer kan fange bilder innenfor det synlige lysspekteret ganske effektivt, kan de som utnytter SWIR‑teknologi fange bilder i dypere bølgelengder innenfor infrarødt spekter. Dette gjør at systemene kan se detaljer selv utenfor det synlige spekteret.

Bølgelengder som er lengre enn de synlige kan kun sees av dedikerte sensorer. Og selv om lys i kortbølgestråle‑infrarød (SWIR) regionen er usynlig for øyet, interagerer dette lyset med objekter på en lignende måte som synlige bølgelengder. 

Akkurat som synlig lys, reflekteres SWIR‑lys fra objekter og er reflektert lys, og som et resultat har det skygger og kontrast i bildene. Fordi SWIR‑bilder ikke er i farger, men kun i svart‑hvitt, gjør det objekter lett gjenkjennelige og tillater individuell identifikasjon. SWIR‑bildedannelse har også evnen til å ta bilder gjennom glass.

Dermed har SWIR stort potensial på grunn av sin lille størrelse, lave strømforbruk, høye følsomhet og oppløsning, samt rimelige linser for det synlige spekteret, i tillegg til evnen til å se signaler og lasere som er skjulte og i nattens himmelstråling.

Dermed gjør kortbølgestråle‑infrarød bildedannelse mange ting mulig i industrielle og vitenskapelige anvendelser, inkludert inspeksjon av silisiumskiver, profilering av laserstråler, medisinsk bildedannelse, maskinsyn, kjemisk‑ og plastdeteksjon, landbrukssensorer, overvåkingssystemer, og hyperspektral bildedannelse i tillegg til bruk for anti‑forfalskning, fuktighetsdeteksjon og sortering. Videre finner den også anvendelse i ansiktsgjenkjenningssensorer brukt i mobiltelefoner, for målidentifikasjon og kamuflasjedeteksjon i forsvar, samt i autonome kjøretøy i skyggefulle miljøer.

Vanligvis brukes InGaAs‑sensorer i SWIR‑bildedannelse. InGaAs, eller indium‑gallium‑arsenid, er en legering som brukes i produksjon av visse halvledere for fotonikk. Disse sensorene brukes i applikasjoner som krever bølgelengder i området 900‑1700 nm. Imidlertid er de dyre og møter utfordringer med hensyn til høyere oppløsningsmatriser, følsomhet for temperaturvariasjoner og begrenset spektralt område.

Klikk her for å lære hvordan lasere vil spille en sentral rolle i de kommende tiårene.

Ikke-giftige kvanteprikker-baserte SWIR-bildesensorer

Dermed utviklet den nye studien en ny ikke‑giftig kolloidal kvanteprikker‑basert høyytelses SWIR-bildesensor. Bildesensorer med SWIR‑følsomhet kan ikke bare pålitelig operere under ugunstige forhold som tåke, sterkt sollys, dis og røyk, men deres rekkevidde gir også en lyskilde som er trygg for øynene. På denne måten åpner SWIR muligheten for å bestemme materialers egenskaper gjennom molekylær bildedannelse. 

Kolloidale kvanteprikker (CQD) basert bildesensor‑teknologi tilbyr her en lovende teknologiplattform for å levere høyvolum‑kompatible bildesensorer i nær‑infrarødt.

Kvanteprikker er menneskeskapte små partikler eller nanoskala‑krystaller som først ble oppdaget i 1980 og viser unike elektroniske og optiske egenskaper. Dette inkluderer evnen til å transportere elektroner og produsere karakteristiske farger. Disse kunstig syntetiserte halvleder‑nanopartiklene har en størrelse i området 2 til 10 nanometer, omtrent 10‑50 atomer i diameter, og har et bredt spekter av anvendelser, inkludert solceller, LED‑er og fast‑state‑belysning, skjermer, fotovoltaikk, transistorer, ultrarask all‑optisk brytere, logiske porter, fluorescerende biologisk merking, kvanteberegning, medisinsk bildedannelse, biosensorer og mer.

Den siste studien ble publisert i Nature Photonics og involverte forskere fra ICFO, Institute of Photonic Sciences, som utfører eksperimenter i klassiske og kvantekommunikasjonssystemer, samt QURV, som er ICFOs spin‑off som utvikler bredspektrums bildesensor‑teknologier for å muliggjøre forbedrede datamaskinsyn‑applikasjoner.

Studien presenterte en ny metode for å fremstille ikke‑giftige kolloidale kvanteprikker som er funksjonelle, av høy kvalitet, og kan integreres med CMOS‑teknologi. CMOS er den teknologien som i dag er mest brukt i brikke‑ eller mikrobrikke-industrien for å danne integrerte kretser (IC). Denne halvlederteknologien brukes i de nyeste CPU‑ene og smarttelefonene.

Ved å integrere CQD‑er med CMOS kan SWIR‑området nås, men det finnes en barriere for å omdanne disse SWIR‑følsomme kvanteprikkene til en kommersiell teknologi. Dette skyldes tilstedeværelsen av tungmetaller som bly eller kvikksølv, som er underlagt reguleringer fra Restriction of Hazardous Substances (RoHS), en europeisk bestemmelse som regulerer bruken av disse materialene i kommersielle forbrukerelektronikk‑applikasjoner.

Mens teamet utforsket måter å syntetisere AgBiTe2‑ eller sølv‑bismuttellurid‑nanokrystaller på for å utvide AsBiS2‑teknologiens dekning med mål om å øke ytelsen til fotovoltaiske enheter, fikk de et biprodukt under prosessen, nemlig sølv‑tellurid (Ag2Te).

Ag2Te viste en sterk kvante‑konfidert absorpsjon, lik kvanteprikker, som er justerbar. Da teamet innså sølv‑tellurids potensial for SWIR‑fotodetektorer og bildesensorer, flyttet de fokus og innsats til å utvikle en ny prosess for å syntetisere fosfin‑frie versjoner av disse Ag2Te‑kvanteprikkene. Fosfin ble faktisk funnet å ha en skadelig effekt på kvanteprikkers optoelektroniske egenskaper som er relevante for fotodeteksjon.

For å syntetisere kvanteprikker av Ag2Te eller sølv‑tellurid uten fosfin og med justerbar størrelse, brukte studien en ny metode som også beholdt de fordelaktige egenskapene til tradisjonelle tungmetall‑motparter, noe som la grunnlaget for SWIR‑kolloidal kvanteprikk‑teknologi for stor‑skala produksjon.

I den nye syntetiske metoden brukte forskerne fosfin‑frie komplekser som sølv‑forløpere og tellur. Dette gjorde dem i stand til å ha kvanteprikker med godt kontrollert størrelsesfordeling og eksitoniske topper over et svært bredt spekter. Disse kvanteprikkene viste bemerkelsesverdige prestasjoner. Sammenlignet med tidligere kvanteprikk‑fremstilling ved bruk av fosfin‑baserte teknikker, oppnådde teamet en enestående prestasjon i form av distinkte eksitoniske topper over 1500 nm.

Ved å bruke disse fosfin‑frie kvanteprikkene laget teamet deretter en enkel laboratorie‑skala fotodetektor på et glassunderlag dekket med indium‑tin‑oksid (ITO), som er en vanlig standard, for å vurdere deres egenskaper og ytelse. 

Teamet hadde deretter en “utfordrende oppgave” med å reversere enhetenes oppsett siden laboratorie‑skala enhetene opererer ved å lyse fra bunnen. Studienes medforfatter Yongjie Wang, en postdoktorforsker ved ICFO, bemerket at:

“For CMOS‑integrerte CQD‑stabler kommer lyset fra toppen, mens den nedre delen av enheten håndteres av CMOS‑elektronikken.” 

Fotodioden viste i begynnelsen lav ytelse i deteksjon av SWIR‑lys, så teamet gjorde justeringer for å inkludere et bufferlag, noe som forbedret ytelsen betydelig. Ombyggingen resulterte i en SWIR‑fotodiode med spektralt område fra 350 nm til 1600 nm. Samtidig oversteg det lineære dynamiske området 118 dB, og en -3 dB båndbredde oversteg 110 kHz. SWIR‑fotodioden hadde også en detekterbarhet ved romtemperatur på rundt 10^12 Jones.

“Etter vår kunnskap har fotodiodene rapportert her for første gang realisert løsnings‑prosesserte, ikke‑giftige kortbølgestråle‑fotodioder med ytelsesparametre på nivå med andre tungmetall‑inneholdende motparter.”

– sa ICREA‑professor ved ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

I tillegg sa han:

“Disse resultatene støtter ytterligere faktumet at Ag2Te‑kvanteprikker fremstår som et lovende RoHS‑kompatibelt materiale for lavkost‑, høy‑ytelses SWIR‑fotodetektor‑applikasjoner.”

SWIR-bildesensorers potensielle virkelige bruksområder

Etter at ICFO‑forskerne Lucheng Peng, Aditya Malla og Wang, ledet av Konstantatos, med suksess utviklet en tungmetall‑fri kvanteprikk‑basert fotodetektor, samarbeidet de med Qurv‑forskerne Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black og Julien Schreier for å lage en SWIR‑bildesensor.

Når de snakket om utviklingen av høyytelses infrarøde fotodetektorer og en ikke‑giftig kolloidal kvanteprikk‑basert SWIR‑bildesensor som opererer ved romtemperatur, bemerket forskerne at de deretter integrerte den ombygde fotodetektoren med en CMOS‑basert ROIC (read‑out integrated circuit er hovedkomponenten i kameraer og er plassert bak fotodetektorene) FPA.

For å bevise sensorens drift i SWIR, ble den testet ved å ta flere bilder av silisiumskivers transmisjon under lys. Teamet klarte også å se innholdet i plastflasker som ikke var observerbare i det synlige lysspekteret.

Dette er imidlertid ikke alt. I neste steg er teamet interessert i å forbedre fotodiodens ytelse ved å konstruere enhetens ulike lag. Videre har forskerne til hensikt å undersøke nye overflatekjemier for sølv‑tellurid‑kvanteprikker for ikke bare å forsterke ytelsen, men også forbedre deres miljøstabilitet.

For nå, imidlertid, er sensorens evne til å få tilgang til SWIR med en lavkost‑teknologi for forbrukerelektronikk, ifølge Konstantatos:

“Vil frigjøre potensialet i dette spektralområdet med et enormt spekter av applikasjoner, inkludert forbedrede synssystemer for bilindustrien (biler) som muliggjør syn og kjøring under ugunstige værforhold.”

I tillegg til bilapplikasjoner bemerket han at den også kan gi et øyesikkert vindu, fritt for bakgrunnslys både dag og natt, og dermed muliggjøre LiDAR og 3D‑bildedannelse for utvidet virkelighet (AR) og virtuell virkelighet (VR) applikasjoner.

Innen robotikk kan disse sensorene være spesielt nyttige for objektdeteksjon og navigasjon på grunn av deres evne til å fange bilder gjennom visse materialer og i svakt lys. På denne måten kan de forbedre robotenes oppfatning av omgivelsene, slik at de kan navigere mer effektivt. Videre kan disse sensorene også brukes for hindringsunngåelse selv i total mørke, noe som ytterligere bidrar til sikker navigasjon.

Utvikling og integrering av infrarødteknologier

FLIR Systems, som er en del av Teledyne Technologies (TDY ), er et selskap som har arbeidet med utvikling og integrering av infrarødteknologier som SWIR‑sensorer i robotikk. Sent i 2023 avduket Teledyne ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) på Defence Security and Equipment International-messen i London. 

I utvikling i nesten fem år, ofte i samarbeid med det norske Forsvarsdepartementet, er enheten designet for å lanseres autonomt. Den sender levende bilder og målrettingsinformasjon tilbake til kjøretøymannskapet og kan brukes til å feie etter miner, utføre inspeksjoner under broer og improviserte eksplosiver. Den har også høy presisjonsrekognosering, overvåkning og målinnhenting, og kan utføre operasjoner uten GPS. For å sikre “svært høy” presisjon bruker enheten et proprietært sporing system som utnytter LED‑teknologi med et SWIR‑kamera.

Andre selskaper som leder dette området inkluderer Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group og Sony.

Nå, i elektriske kjøretøy (EV), kan SWIR‑bildesensoren forbedre deres synssystemer ved å tilby pålitelig bildedannelse som muliggjør mer effektiv og trygg kjøring under ugunstige forhold. Disse sensorene kan også bidra til utviklingen av nattsynssystemer og hjelpe med å gjenkjenne og skille objekter i ulike lysforhold, noe som er fordelaktig for avanserte førerassistansesystemer (ADAS), som i økende grad brukes i autonome kjøretøy (AV) for å forbedre trafikksikkerheten.

Sensorteknologier for bilindustrien

Luminar Technologies er et selskap som arbeider med sensorteknologier for bilindustrien, spesielt LiDAR‑teknologi. Den amerikanske LiDAR‑produsenten planlegger å lansere 1 million Luminar‑utstyrte biler i Kina i løpet av de neste fem årene.

Det offentlige selskapet har en markedsverdi på 1,657 milliarder med aksjene handlet til $3,23, ned omtrent 3 % hittil i år. Selskapet har en omsetning (TTM) på $58,791 millioner, EPS (TTM) på -1,50, og P/E (TTM) på -2,17.

Samtidig er selskaper som Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group og Hyundai Motor ledende i EV‑industrien.

Utvidet virkelighet og virtuell virkelighet

Nå, i AR‑ og VR‑verdenen, hvor nøyaktig dybdeoppfatning og objektdeteksjon er essensielt, kan disse SWIR‑sensorene være svært fordelaktige for å gi mer oppslukende AR‑ og VR‑opplevelser. De kan også brukes til å opprettholde bildekvalitet i utfordrende miljøer og la AR‑applikasjoner legge digitale informasjoner over brukerens syn selv når objekter ikke er direkte synlige i det synlige lysspekteret. Å være en lavkost‑teknologi betyr at ved å integrere SWIR‑bildesensorer i forbrukerenheter, kan de nå et bredt publikum, noe som fører til nye applikasjoner og opplevelser.

Sony er et fremtredende navn innen AR og bruker bildesensorer, inkludert CMOS-teknologi. For noen måneder siden, Sony kunngjorde IMX992 SWIR‑bildesensoren med 5,32 effektive megapiksler og 3,45 μm pikselstørrelse for industrielt utstyr. For å fange lys effektivt, leveres sensoren med en optimalisert pikselstruktur som tillater høy‑definisjons bildedannelse over et bredt spekter. 

Med en markedsverdi på $115 milliarder, handles SONY‑aksjene til $91,22. Selskapet rapporterte en omsetning (TTM) på $84,834 milliarder og har EPS (TTM) på 4,72, P/E (TTM) på 19,33, og ROE (TTM) på 12,45 %. Sony betaler også en utbytteavkastning på 0,61 %.

Andre fremtredende navn i dette feltet inkluderer Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) og Unity.

Klikk her for listen over de ti beste aksjene innen utvidet virkelighet og virtuell virkelighet.

Konklusjon

Som vi har sett, gjør CMOS SWIR‑sensorers følsomhet for lys i kortbølgestråle‑infrarødt spekter dem i stand til å fange bilder utover rekkevidden til tradisjonelle synlige lyssensorer, noe som gjør dem verdifulle i applikasjoner hvor synlighet gjennom visse materialer eller i svakt lys er kritisk. 

På denne måten kan den levere enestående ytelse og pålitelighet i høy‑volum, datamaskinsyn‑første applikasjoner i ulike industrier som bilindustrien, service‑robotikk, AR, VR og forbrukerelektronikkmarkedene. I fremtiden, etter hvert som teknologien fortsetter å utvikle seg, kan integreringen av disse sensorene utvides til andre områder, som romforskning.