Квантовый скачок в SWIR-визуализации

На сегодняшний день в секторе коротковолнового инфракрасного излучения доминируют датчики на основе арсенида индия-галлия (InGaAs). Способности этого материала к фотообнаружению поддерживают рынок оборонных и промышленных камер, который консультанты Yole Développement оценили в 429 миллионов долларов в 2021 году.

Но Йол прогнозирует, что к 2027 году этот сектор вырастет до 4 миллиардов долларов, когда SWIR появится на массовом рынке и в потребительских устройствах. К тому времени ранее высокотехнологичные технологии могли стать привычной частью вождения автомобиля или использования смартфона. Предполагается, что одна только последняя область применения оценивается в 3,2 миллиарда долларов, если принять во внимание датчик, оптику и корпус, и сегодня она достигнет этих высот с нуля.

Это резкое расширение будет основано на новых формах датчиков, альтернативных традиционным материалам InGaAs. Одним из примеров являются тонкопленочные фотодетекторы, использующие в качестве поглотителей коллоидные квантовые точки (КТ), в частности КТ на основе сульфида свинца (PbS). Квантовые точки были первоначально разработаны в середине 2000-х годов как обработанный в растворе материал, обладающий конкурентоспособной чувствительностью на длинах волн выше 1000 нанометров. Но с момента их открытия были достигнуты значительные успехи в таких жизненно важных параметрах реального мира, как квантовая эффективность.

«Квантовые точки уже не просто диковинка», — комментирует Павел Малиновский из бельгийской исследовательской лаборатории Imec, одного из центров разработки КТ и их использования в датчиках изображения SWIR. «Рынок SWIR начинает открываться благодаря определенным технологическим разработкам, одним из которых являются QD. Это широкополосные поглотители, спектральный отклик которых можно регулировать с помощью конструкции стека и других параметров, и я ожидаю увидеть дальнейшее улучшение производительности по мере того, как технологии созревают».

Зрелость будет напрямую зависеть от того, как КТ будут использоваться на рынке, а разработчики будут наблюдать за производительностью датчиков при их внедрении в реальные приложения – процесс, который сейчас начинает происходить. Отсюда Малиновский видит три широких варианта использования.

Одним из них будет прямая замена датчиков InGaAs на КТ в приложениях, в настоящее время использующих устоявшуюся технологию, хотя даже разработчики КТ признают, что новые материалы не обязательно могут быть лучшим выбором для пользователей, довольных существующими характеристиками SWIR-датчиков. Второй сценарий заключается в том, что целью на самом деле является повышение производительности, например, при контроле полупроводниковых пластин, где меньшие пиксели, возможные в датчике QD, могут привести к получению изображения с более высоким разрешением.

«Третий и для меня самый интересный случай использования — это когда SWIR никогда раньше не использовался, но теперь стал доступен», — говорит Малиновский. «Новые технологии сделают инвестиции в SWIR привлекательными для совершенно новых целей, и тогда откроются большие рынки».

Тем временем разработчики QD в Imec сосредоточены на способах оптимизации производства и долгосрочной надежности датчиков на основе QD, а также на решении проблемы, которая остается неотъемлемой – по крайней мере на данный момент – для этой технологии: использование свинца.

«Объемное содержание свинца невелико, обычно ниже 0,1% от объема, и я думаю, что первые продукты QD появятся там, где пользователи смогут его без проблем переносить», — комментирует Малиновский. «Но для некоторых разработчиков и некоторых приложений вообще никаких идей просто нет. Таким образом, уже ведется большое количество исследований альтернативных формулировок, которые в конечном итоге могут иметь еще лучшую производительность, и того, как сделать QD полностью эффективными. - дружелюбный и технологичный».

Малиновский ожидает, что все эти препятствия будут преодолены по мере того, как SWIR начнет становиться предпочтительной технологией для определенных крупномасштабных применений, а также по мере того, как разработчики будут использовать возможности настройки, которые могут предложить новые материалы датчиков SWIR.

«Сравнивать с InGaAs сложно, поскольку это действующая технология, разрабатывавшаяся в течение нескольких десятилетий, а первые коммерческие продукты КТ были выпущены только в 2021 году», — говорит он. «Но теперь все дело в том, чтобы заставить КТ работать, изучить надежность и максимизировать производительность. Для квантовых точек все указатели в правильном направлении».