Salto cuántico para las imágenes SWIR

Hasta la fecha, el sector del infrarrojo de onda corta ha estado dominado por sensores basados ​​en arseniuro de indio y galio (InGaAs). Las capacidades de fotodetección de este material respaldan un mercado de cámaras industriales y de defensa que la consultora Yole Développement valoró en 429 millones de dólares en 2021.

Pero Yole predice que el sector se disparará a 4 mil millones de dólares para 2027, a medida que SWIR llegue al mercado masivo y a los dispositivos de consumo. Para entonces, la tecnología que antes era de alta gama podría ser una parte familiar de conducir un automóvil o usar un teléfono inteligente. Se estima que sólo esta última área de aplicación vale 3.200 millones de dólares, si se tienen en cuenta los sensores más la óptica y la carcasa, y alcanzará esas alturas desde cero.

Esta espectacular expansión se basará en nuevas formas de sensores, alternativas a los materiales establecidos de InGaAs. Un ejemplo son los fotodetectores de película fina que utilizan puntos cuánticos coloidales (QD) como absorbentes, en particular los QD basados ​​en sulfuro de plomo (PbS). Los puntos cuánticos se desarrollaron originalmente a mediados de la década de 2000 como un material procesado en solución capaz de tener una sensibilidad competitiva en longitudes de onda superiores a 1.000 nanómetros. Pero desde su descubrimiento, se han logrado avances significativos en parámetros vitales del mundo real, como la eficiencia cuántica.

"Los puntos cuánticos ya no son sólo una curiosidad", comenta Pawel Malinowski del laboratorio de investigación belga Imec, un centro de desarrollo de QD y su uso en sensores de imagen SWIR. "El mercado SWIR está empezando a abrirse debido a ciertos desarrollos tecnológicos particulares, de los cuales los QD son uno. Son absorbentes de banda ancha cuya respuesta espectral se puede ajustar a través del diseño de la pila y otros parámetros, y espero ver más mejoras en el rendimiento a medida que La tecnología madura."

La madurez se producirá directamente cuando los QD se utilicen en el mercado y los desarrolladores observen el rendimiento de los sensores a medida que ingresan a las aplicaciones del mundo real, un proceso que ahora está comenzando a suceder. A partir de ahí, Malinowski ve que toman forma tres amplios casos de uso.

Una será la sustitución directa de los sensores InGaAs por QD en aplicaciones que actualmente utilizan la tecnología establecida, aunque incluso los desarrolladores de QD reconocen que los nuevos materiales pueden no ser necesariamente la mejor opción para los usuarios contentos con el rendimiento del sensor SWIR existente. En un segundo escenario, el objetivo es realmente un mejor rendimiento, por ejemplo en la inspección de obleas de semiconductores, donde los píxeles más pequeños posibles en un sensor QD podrían dar lugar a una imagen de mayor resolución.

"El tercer caso de usuario, y para mí el más interesante, es aquel en el que nunca antes se había utilizado SWIR, pero ahora está al alcance de la mano", afirma Malinowski. "Las nuevas tecnologías harán que la inversión en SWIR sea atractiva para usos completamente nuevos, y estos serán los grandes mercados que se abrirán entonces".

Mientras tanto, los desarrolladores de QD en Imec se están centrando en formas de optimizar la fabricación y la confiabilidad a largo plazo de los sensores basados ​​en QD y abordando un problema que sigue siendo inherente (al menos por ahora) a la tecnología: su uso de plomo.

"El contenido en volumen de plomo es pequeño, normalmente inferior al 0,1% del volumen, y creo que aparecerán los primeros productos QD donde los usuarios puedan tolerarlo sin problemas", comenta Malinowski. "Pero para algunos desarrolladores y algunas aplicaciones, cualquier pista es simplemente imposible. Por lo tanto, ya se está investigando mucho sobre formulaciones alternativas, que en última instancia podrían tener un rendimiento aún mejor, y sobre cómo hacer que los QD sean completamente fabulosos. -Amigable y fabricable."

Malinowski anticipa que todos estos obstáculos se superarán a medida que SWIR comience a convertirse en una tecnología de elección para ciertos usos de gran volumen, y a medida que los desarrolladores exploten las posibilidades de personalización que los nuevos materiales de sensores SWIR pueden ofrecer.

"Las comparaciones con los InGaA son difíciles, ya que se trata de una tecnología existente desarrollada durante varias décadas, y los QD no vieron sus primeros productos comerciales lanzados hasta 2021", afirma. "Pero ahora se trata de poner a funcionar los QD, estudiar la confiabilidad y maximizar el rendimiento. Para los puntos cuánticos, todos los indicadores van en la dirección correcta".

TriEye, una empresa de tecnología israelí fundada en 2017, ha desarrollado sensores de imagen SWIR de alta definición que se pueden fabricar utilizando procesos de semiconductores CMOS convencionales, un enfoque que reduce los costos de fabricación en comparación con los sensores de InGaAs establecidos.

Basada en los avances en nanofotónica realizados en la Universidad Hebrea de Jerusalén, la tecnología de producción TriEye es capaz de reducir el tamaño de píxel del sensor y aumentar así la resolución de la imagen SWIR; el producto estándar de la empresa alcanza actualmente una resolución de 1.280 x 960 en un formato de imagen CMOS. Igual de importante es que la tecnología se adapta fácilmente a los flujos de trabajo de producción en masa existentes, donde los dispositivos fabricados con CMOS son elementos familiares.

"La obtención de imágenes SWIR industriales hoy en día está limitada por el coste de las cámaras de InGaAs", comenta David Cheskis de TriEye. "Nuestra tecnología SWIR basada en CMOS reduce el costo del sensor y se puede aplicar en casi todas las aplicaciones de cámaras industriales. Para aplicaciones SWIR, permite tanto la reducción de costos como la producción en masa".

Los sensores CMOS SWIR actuales de la compañía tienen una eficiencia cuántica algo menor que los sensores de InGaAs y una corriente oscura más alta, factores que pueden limitar la capacidad de la tecnología para reemplazar los sensores existentes para aplicaciones de imágenes de alta gama en los sectores militar o aeroespacial. Pero TriEye anticipa que CMOS SWIR tendrá impacto en sectores completamente nuevos, expandiendo las imágenes SWIR a los mercados de mayor volumen identificados por Yole.

Además de reducir los costos, la tecnología de TriEye también puede agregar capacidades de detección de profundidad a las imágenes SWIR: la plataforma Sedar (Spectrum Enhanced Detección y Rango) de la compañía combina imágenes SWIR con detección de profundidad 3D determinista, al incluir una fuente de iluminación.

"La clave es incorporar iluminación", afirma Cheskis. "La combinación del sensor y el iluminador en la plataforma Sedar amplía las capacidades de los sistemas de detección de profundidad SWIR 3D para operar en exteriores y a larga distancia, manteniendo al mismo tiempo la seguridad ocular".

La iluminación a bordo también facilita la incorporación de algoritmos de detección de objetos existentes y rutinas de aprendizaje automático, lo que facilita la identificación de los objetos y personas captados por las cámaras SWIR o los diversos materiales fotografiados en una sola escena.

Los dispositivos móviles y de consumo podrían beneficiarse fácilmente, ya que Sedar podría mejorar el rango utilizable de la tecnología de detección de profundidad a bordo de los teléfonos inteligentes más allá de lo posible con las implementaciones actuales que no son SWIR. Desarrolladores como Intel y Apple ya están familiarizados con el infrarrojo cercano y lo emplean como tecnología de sensor en sus plataformas de consumo, y CMOS SWIR podría representar la próxima evolución de esa capacidad para esos mismos dispositivos.

Uno de los objetivos de los sensores SWIR de menor coste es el sector de la automoción para la asistencia al conductor. Crédito: Andrey Suslov/shutterstock.com

Otro objetivo de TriEye es el sector automotriz, donde los vehículos autónomos y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) emplean actualmente tecnología lidar para obtener imágenes del mundo que los rodea, monitorear el medio ambiente y reaccionar en consecuencia. TriEye cree que Sedar reducirá los costos de las plataformas ADAS actuales en más de diez veces.

"Todas estas aplicaciones son posibles gracias al principio básico de una plataforma CMOS SWIR de bajo coste y gran volumen", afirma Cheskis. "Hace diez años, se produjo una revolución en la imagen cuando llegaron al mercado capacidades de infrarrojo cercano y 3D, y ahora está comenzando una revolución SWIR. Las aplicaciones automotrices tienen un ciclo de diseño más largo que otros mercados, pero hay sectores comerciales capaces de utilizar CMOS SWIR que implementará la tecnología a medida que esté disponible. Por lo tanto, esperamos ver mucha actividad CMOS SWIR durante 2023".

Sin embargo, el inminente crecimiento de las aplicaciones SWIR no se derivará únicamente de nuevas tecnologías de sensores. Los sensores de InGaAs siguen siendo una opción establecida y muy adecuados para determinadas aplicaciones, mientras que los desarrolladores con un profundo conocimiento de las capacidades del material continúan mejorando sus capacidades de detección.

"InGaAs todavía desempeña un papel importante en la banda de onda corta", comenta Frédéric Aubrun de Xenics, un desarrollador de sensores de imágenes infrarrojas creado originalmente por Imec en 2000. "Su combinación de sensibilidad, relación señal-ruido, dinámica El alcance y la eficiencia cuántica significan que para un grupo de aplicaciones no existe un reemplazo real para el InGaAs, y no lo habrá durante algún tiempo".

El rendimiento operativo es la clave para esta longevidad, y Aubrun señala el papel que puede desempeñar el InGaAs dentro del ecosistema completo de los sistemas de visión SWIR industriales, donde cada fotón es un recurso precioso.

Xenics ha suministrado sensores de InGaAs para líneas de procesamiento y clasificación de alimentos donde los artículos congelados caen a través del campo de visión de un sistema de imágenes a alta velocidad y bajo gravedad, un escenario en el que aumentar la potencia de iluminación para compensar una ventana de detección corta sería perjudicial para el producto. sí mismo. Según Xenics, InGaAs sigue siendo la mejor opción para aprovechar la luz disponible en este tipo de escenario.

Los sistemas de vigilancia y seguridad también requieren eficiencias cuánticas particulares de sus sensores SWIR para proporcionar una visión nocturna o una detección de objetos aceptables. La combinación de parámetros de rendimiento que caracterizan a los sensores de InGaAs puede hacerlos más efectivos para estos casos de uso que las tecnologías emergentes más nuevas.

Aun así, Aubrun reconoce los factores que han ayudado a impulsar el desarrollo de esos novedosos sensores.

"Es cierto que el InGaAs es una tecnología relativamente cara", comenta. "En Xenics, nuestra respuesta es dominar la producción de sensores de InGaAs de principio a fin, controlando los rendimientos de producción de nuestras propias líneas de producción para equilibrar los costos con los volúmenes de fabricación. A medida que las aplicaciones de InGaAs evolucionan, nuestro objetivo es aprovechar el futuro de nuestros productos. bajo nuestro propio control."

Un negocio de InGaAs en evolución podría ser la óptica del espacio libre, donde la baja absorción atmosférica de las longitudes de onda de onda corta permite una transmisión de señales ópticas más eficiente que la que se puede lograr con la luz visible. La compensación entre una transmisión mejorada y los costos de un dispositivo de InGaAs favorecerá la tecnología de sensores establecida como una solución económica para las comunicaciones ópticas en el espacio libre y las implementaciones de claves cuánticas, afirma Aubrun.

Al mismo tiempo, la empresa se dedica a mejorar aún más las propiedades establecidas del InGaAs, investigando formas de controlar la corriente oscura del fotodiodo en ausencia de fotones entrantes y tal vez modificando la banda de respuesta espectral del propio material del sensor. Estas mejoras surgen de un profundo conocimiento del material InGaAs, adquirido durante décadas de uso industrial.

"Esto no es algo que se pueda hacer en un abrir y cerrar de ojos, ya que requiere una inversión tanto de dinero como de recursos", añade Aubrun. "Nuestra línea de productos está evolucionando, nuestro negocio está creciendo y el InGaAs sigue siendo una tecnología de sensores importante".