CMOS-sensorer för kortvågsinfraröd strålning – Tolka det osedda

I en ny studie, forskare skapade en ny högpresterande SWIR‑bildsensor baserad på giftfria kolloidala kvantprickar. Kortvågsinfraröd eller SWIR är ett våglängdsband av ljus mellan 900 nm och 2500 nm, långt bortom det synliga spektrumet som sträcker sig mellan 400 nm och 700 nm. SWIR‑avbildning kräver sensorer som kan fungera i detta område. 

Medan konventionella system som använder laddningskopplade enheter (CCD) och komplementära metall‑oxid‑semiconductor (CMOS) bildsensorer kan fånga bilder inom det synliga ljusspektrumet ganska effektivt, kan de som utnyttjar SWIR‑teknik fånga bilder i djupare våglängder inom infraröda spektrumet. Detta gör att systemen kan se detaljer även utanför det synliga spektrumet.

Våglängder som är längre än de synliga kan endast ses av dedikerade sensorer. Och även om ljuset i kortvågsinfraröda (SWIR) området är osynligt för ögat, interagerar detta ljus med föremål på ett liknande sätt som synliga våglängder.

Liksom synligt ljus reflekteras SWIR‑ljus från föremål och är reflekterande ljus, vilket resulterar i skuggor och kontrast i dess bildmaterial. Eftersom SWIR‑bilder inte är i färg utan endast i svart‑vitt, blir föremål lätt igenkännbara och möjliggör individuell identifiering. SWIR‑avbildning har också förmågan att fotografera genom glas.

Så har SWIR stor potential på grund av sin lilla storlek, låga energiförbrukning, höga känslighet och upplösning, samt prisvärda linser för det synliga spektrumet, tillsammans med förmågan att se signaler och lasrar som är dolda och i nattens himmelstrålning.

På så sätt möjliggör kortvågsinfraröd avbildning många saker i industriella och vetenskapliga tillämpningar, inklusive inspektion av kiselplattor, profilering av laserstrålar, medicinsk avbildning, maskinseende, kemisk och plastdetektering, jordbrukssensorer, övervakningssystem och hyperspektral avbildning, samt används för äktavarukontroll, fuktdetektering och sortering. Dessutom används den i ansiktsigenkänningssensorer i mobiltelefoner, för målidentifiering och kamouflagedetektion inom försvaret samt av autonoma fordon i skuggiga miljöer.

Vanligtvis används InGaAs‑sensorer i SWIR‑avbildning. InGaAs, eller indiumgalliumarsenid, är en legering som används vid tillverkning av vissa halvledare för fotoniska tillämpningar. Dessa sensorer används i applikationer som kräver våglängder i intervallet 900‑1700 nm. De är dock dyra och möter utmaningar när det gäller högre upplösningsmatriser, känslighet för temperaturvariationer och begränsat spektralt område.

Klicka här för att lära dig hur lasrar kommer att spela en avgörande roll under de kommande årtiondena.

Icke‑giftiga kvantprickbaserade SWIR‑bildsensorer

Alltså utvecklade den nya studien en ny icke‑giftig kolloidal kvantprickbaserad högpresterande SWIR‑bildsensor. Bildsensorer med SWIR‑känslighet kan inte bara pålitligt fungera under ogynnsamma förhållanden såsom dimma, starkt solljus, dis och rök, utan deras räckvidd ger också en ljuskälla som är säker för ögonen. På så sätt öppnar SWIR möjligheten att bestämma materialegenskaper genom molekylär avbildning. 

Kolloidala kvantprickar (CQD)‑baserad bildsensorteknik erbjuder här en lovande teknisk plattform för att tillhandahålla högvolymskompatibla bildsensorer i det nära infraröda området.

Kvantprickar är människoskapade små partiklar eller nanokristaller som först upptäcktes 1980 och uppvisar unika elektroniska och optiska egenskaper. Detta inkluderar förmågan att transportera elektroner och producera distinkta färger. Dessa artificiellt syntetiserade halvledarnanopartiklar har en storlek i intervallet 2 till 10 nanometer, ungefär 10‑50 atomer i diameter, och har ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive solceller, LED‑er och solid‑state‑belysning, skärmar, fotovoltaik, transistorer, ultrarapida all‑optiska switchar, logikgrindar, fluorescerande biologisk märkning, kvantdatorer, medicinsk avbildning, biosensorer och mer.

Den senaste studien publicerades i Nature Photonics och involverade forskare från ICFO, Institutet för fotoniska vetenskaper, som utför experiment inom klassiska och kvantkommunikationssystem, samt QURV, som är ICFO:s spin‑off som utvecklar bredspektrala bildsensorteknologier för att möjliggöra förbättrade datorseende‑applikationer.

Studien presenterade en ny metod för tillverkning av icke‑giftiga kolloidala kvantprickar som är funktionella, av hög kvalitet och kan integreras med CMOS‑teknik. CMOS är den teknik som idag används mest inom chip‑ eller mikrochip‑industrin för att skapa integrerade kretsar (IC). Denna halvledarteknik används i de senaste CPU‑erna och smartphones.

Genom att integrera CQD med CMOS kan SWIR‑området nås, men det finns ett hinder för att omvandla dessa SWIR‑känsliga kvantprickar till en kommersiellt användbar teknik. Detta beror på närvaron av tungmetaller som bly eller kvicksilver, vilka omfattas av Restriction of Hazardous Substances (RoHS), en europeisk förordning som reglerar användning av dessa material i kommersiella konsumentelektronikapplikationer.

Medan teamet utforskade sätt att syntetisera AgBiTe2‑ eller silver‑bismut‑tellurid‑nanokristaller för att utöka AsBiS2‑teknikens täckning i syfte att öka prestandan hos fotovoltaiska enheter, erhöll de en biprodukt under processen, nämligen silver‑tellurid (Ag2Te).

Ag2Te visade en stark kvantkonfinierad absorption, liknande kvantprickar, som är justerbar. När teamet insåg silver‑tellurids potential för SWIR‑fotodetektorer och bildsensorer, skiftade de fokus och ansträngningar till att utveckla en ny process för att syntetisera fosfinfria versioner av dessa Ag2Te‑kvantprickar. Fosfin visade sig faktiskt ha en skadlig effekt på kvantprickarnas optoelektroniska egenskaper som är relevanta för fotodetektion.

För att syntetisera kvantprickar av Ag2Te eller silver‑tellurid utan fosfin och med justerbar storlek använde studien en ny metod som också behöll de fördelaktiga egenskaperna hos traditionella tungmetallmotparter, vilket lade grunden för SWIR‑kolloidal kvantprickteknik för storskalig produktion.

I den nya syntetiska metoden använde forskarna fosfinfria komplex såsom silver‑precursorer och tellurium. Detta möjliggjorde kvantprickar med välkontrollerad storleksfördelning och excitoniska toppar över ett mycket brett spektrum. Dessa kvantprickar visade anmärkningsvärda prestanda. Jämfört med tidigare kvantpricktillverkning med fosfinbaserade tekniker uppnådde teamet en enastående prestation i form av distinkta excitoniska toppar över 1500 nm.

Med dessa fosfinfria kvantprickar skapade teamet sedan en enkel laboratorie‑skala fotodetektor på ett glaspaket täckt med Indium‑tin‑oxid (ITO), vilket är en vanlig standard, för att utvärdera deras egenskaper och prestanda. 

Teamet fick sedan en “utmanande uppgift” att vända om enheten eftersom laboratorie‑skalanheterna fungerar genom att lysa upp från botten. Studien medförfattare Yongjie Wang, postdoktoral forskare vid ICFO, noterade att:

“För CMOS‑integrerade CQD‑stackar kommer ljuset från toppen, medan den nedre delen av enheten tas av CMOS‑elektroniken.”

Fotodioden visade initialt låg prestanda vid detektering av SWIR‑ljus, så teamet gjorde justeringar för att inkludera ett buffertlager, vilket förbättrade dess prestanda avsevärt. Omdesignen resulterade i en SWIR‑fotodiod som demonstrerade ett spektralt område från 350 nm till 1600 nm. Samtidigt översteg det linjära dynamiska omfånget 118 dB, och en -3 dB bandbredd översteg 110 kHz. SWIR‑fotodioden hade även en detekterbarhet vid rumstemperatur på ordningen 10¹² Jones.

“Såvitt vi vet har fotodioderna som rapporteras här för första gången realiserat lösningsbearbetade, icke‑giftiga kortvågsinfraröda fotodioder med prestanda som är i nivå med andra tungmetall‑innehållande motsvarigheter.”

– sade ICREA‑professor vid ICFO, Gerasimos Konstantatos. 

Vidare sade han:

“Dessa resultat stärker ytterligare faktumet att Ag2Te‑kvantprickar framträder som ett lovande RoHS‑kompatibelt material för lågkostnads‑ och högpresterande SWIR‑fotodetektor‑applikationer.”

SWIR‑bildsensorers potentiella verkliga användningsområden

Efter att ICFO‑forskarna Lucheng Peng, Aditya Malla och Wang, ledda av Konstantatos, framgångsrikt utvecklat en tungmetall‑fri kvantprickbaserad fotodetektor, samarbetade de med Qurv‑forskarna Stijn Goossens, Yu Bi, Andres Black och Julien Schreier för att skapa en SWIR‑bildsensor.

När de talade om utvecklingen av högpresterande infraröda fotodetektorer och en icke‑giftig kolloidal kvantprickbaserad SWIR‑bildsensor som fungerar vid rumstemperatur, noterade forskarna att de sedan integrerade den omdesignade fotodetektorn med en CMOS‑baserad ROIC (read‑out integrated circuit, huvudkomponenten i kameror och placerad bakom fotodetektorer) FPA.

För att bevisa sensorns funktion i SWIR testades den genom att ta flera bilder av kiselplattors transmission under ljus. Teamet kunde även se innehållet i plastflaskor som inte var observerbara i det synliga ljusområdet.

Det är dock inte allt. I nästa steg är teamet intresserat av att förbättra fotodiodens prestanda genom att konstruera enhetens olika lager. Dessutom avser forskarna att undersöka nya ytkemikalier för silver‑tellurid‑kvantprickar för att inte bara förstärka deras prestanda utan även förbättra deras miljömässiga stabilitet.

För tillfället, dock, möjligheten för sensorn att nå SWIR med en lågkostnadsteknik för konsumentelektronik, enligt Konstantatos:

“Kommer att frigöra potentialen i detta spektrala område med ett enormt antal applikationer, inklusive förbättrade visionssystem för bilindustrin (bilar) som möjliggör syn och körning under ogynnsamma väderförhållanden.”

Förutom bilapplikationer noterade han att den också kan erbjuda ett ögonsäkert fönster, fritt från bakgrundsljus både dag och natt, vilket möjliggör LiDAR och 3D‑avbildning för förstärkt verklighet (AR) och virtuell verklighet (VR) applikationer.

I robotikens område kan dessa sensorer vara särskilt hjälpsamma för objektigenkänning och navigering på grund av deras förmåga att fånga bilder genom vissa material och under svagt ljus. På så sätt kan de förbättra robotarnas uppfattning av omgivningen, så att de kan navigera den mer effektivt. Dessutom kan dessa sensorer även användas för hinderundvikande även i total mörker, vilket ytterligare bidrar till säker navigering.

Utveckling och integration av infraröda teknologier

FLIR Systems, som är en del av Teledyne Technologies (TDY ), är ett företag som har arbetat med utveckling och integration av infraröda teknologier såsom SWIR‑sensorer i robotik. Sent 2023 presenterade Teledyne ‘Black Recon’ Vehicle Reconnaissance System (VRS) på Defence Security and Equipment International‑mässan i London. 

I utveckling i nästan fem år, ofta i samarbete med det norska försvarsdepartementet, är enheten designad för att lanseras autonomt. Den sänder live‑bilder och målinformation tillbaka till fordonets besättning och kan användas för att söka efter minor, utföra inspektioner under broar och hantera improviserade explosiva anordningar. Den har även högprecisionsrekognosering, övervakning och målupptäckt samt kan utföra operationer utan GPS. För att säkerställa “mycket hög” precision använder enheten ett proprietärt spårningssystem som utnyttjar LED‑teknik med en SWIR‑kamera.

Andra ledande företag inom området inkluderar Rockwell Automation (ROK ), iRobot , ABB, Yaskawa, Fanuc, Yamaha Motor, Midea Group och Sony.

Nu, i elfordon (EV), kan SWIR‑bildsensor förbättra deras visionssystem genom att tillhandahålla pålitlig avbildning för att möjliggöra mer effektiv och säkrare körning under ogynnsamma förhållanden. Dessa sensorer kan också bidra till utvecklingen av nattseende‑system och hjälpa till att känna igen och särskilja objekt i olika ljusscenarier, vilket är fördelaktigt för avancerade förarassistanssystem (ADAS) som i allt högre grad används i autonoma fordon (AV) för att förbättra vägsäkerheten.

Sensing‑teknologier för bilindustrin

Luminar Technologies är ett företag som arbetar med sensing‑teknologier för bilindustrin, särskilt LiDAR‑teknik. Den amerikanska LiDAR‑tillverkaren planerar att lansera 1 miljon Luminar‑utrustade bilar i Kina under de kommande fem åren.

Det publika företaget har ett börsvärde på 1,657 bn med aktier som handlas till $3,23, ner cirka 3 % år‑till‑datum. Företaget har en omsättning (TTM) på $58,791 mln, EPS (TTM) på -1,50 och P/E (TTM) på -2,17.

Samtidigt är företag som Tesla (TSLA ), VW Group, GM, BMW Group och Hyundai Motor ledande inom EV‑industrin.

Förstärkt verklighet och virtuell verklighet

Nu, i AR‑ och VR‑världen, där exakt djupuppfattning och objektigenkänning är avgörande, kan dessa SWIR‑sensorer vara mycket fördelaktiga för att erbjuda mer uppslukande AR‑ och VR‑upplevelser. De kan dessutom användas för att upprätthålla bildkvalitet i utmanande miljöer och låta AR‑applikationer överlagra digital information på användarens synfält även när föremål inte är direkt synliga i det synliga ljusspektrumet. Eftersom det är en lågkostnadsteknik innebär integration av SWIR‑bildsensorer i konsumentenheter att de kan nå en bred publik, vilket leder till nya applikationer och upplevelser.

Sony är ett framstående namn inom AR‑världen som använder bildsensorer, inklusive CMOS‑teknik. För några månader sedan meddelade Sony IMX992 SWIR‑bildsensor med 5,32 effektiva megapixlar och 3,45 μm pixelstorlek för industriell utrustning. För att fånga ljus effektivt har sensorn en optimerad pixelstruktur som möjliggör högupplöst avbildning över ett brett spektrum.

Med ett börsvärde på $115 bn handlas SONY:s aktier till $91,22. Företaget rapporterade en omsättning (TTM) på $84,834 bn och har EPS (TTM) på 4,72, P/E (TTM) på 19,33 och ROE (TTM) på 12,45 %. Sony betalar också en utdelningsavkastning på 0,61 %.

Andra framstående namn inom detta område inkluderar Microsoft (MSFT ), Google, AMD, NVIDIA (NVDA ), Samsung, AMD, Magic Leap, Meta Platforms (META ) och Unity.

Klicka här för listan över de tio bästa aktierna inom förstärkt verklighet och virtuell verklighet.

Slutsats

Som vi har sett möjliggör CMOS‑SWIR‑sensorers känslighet för ljus i kortvågsinfraröda spektrumet att de fångar bilder bortom räckvidden för traditionella synliga ljussensorer, vilket gör dem värdefulla i applikationer där synlighet genom vissa material eller i svagt ljus är kritisk. 

På så sätt kan den erbjuda enastående prestanda och tillförlitlighet i högvolym, datorseende‑först‑applikationer inom olika industrier såsom bilindustrin, service‑robotik, AR, VR och konsumentelektronikmarknader. I framtiden, när teknologin fortsätter att utvecklas, kan integrationen av dessa sensorer expandera till andra områden, som rymdforskning, också.