Quantensprung für SWIR-Bildgebung

Im kurzwelligen Infrarotbereich dominieren bislang Sensoren auf Basis von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs). Die Fotoerkennungsfähigkeiten dieses Materials unterstützen einen Markt für Verteidigungs- und Industriekameras, den das Beratungsunternehmen Yole Développement im Jahr 2021 auf 429 Millionen US-Dollar schätzt.

Yole prognostiziert jedoch, dass der Sektor bis 2027 auf 4 Milliarden US-Dollar anwachsen wird, da SWIR in Massenmarkt- und Verbrauchergeräten Einzug hält. Bis dahin könnte die bisherige High-End-Technologie zum gewohnten Bestandteil des Autofahrens oder der Smartphone-Nutzung gehören. Allein der letztgenannte Anwendungsbereich soll unter Berücksichtigung von Sensor, Optik und Gehäuse einen Wert von 3,2 Milliarden US-Dollar haben und bereits heute aus dem Stand diese Höhen erreichen.

Diese dramatische Erweiterung wird auf neuen Formen von Sensoren aufbauen, die Alternativen zu den etablierten InGaAs-Materialien darstellen. Ein Beispiel sind Dünnschicht-Fotodetektoren, die kolloidale Quantenpunkte (QDs) als Absorber verwenden, insbesondere QDs auf Basis von Bleisulfid (PbS). Quantenpunkte wurden ursprünglich Mitte der 2000er Jahre als lösungsverarbeitetes Material mit konkurrenzfähiger Empfindlichkeit bei Wellenlängen über 1.000 Nanometern entwickelt. Doch seit ihrer Entdeckung wurden erhebliche Fortschritte bei lebenswichtigen Parametern wie der Quanteneffizienz erzielt.

„Quantenpunkte sind nicht mehr nur eine Kuriosität“, kommentiert Pawel Malinowski vom belgischen Forschungslabor Imec, einem Entwicklungszentrum für QDs und deren Verwendung in SWIR-Bildsensoren. „Der SWIR-Markt beginnt sich aufgrund bestimmter besonderer technologischer Entwicklungen zu öffnen, zu denen auch QDs gehören. Dabei handelt es sich um Breitbandabsorber, deren spektrale Reaktion durch Stapeldesign und andere Parameter angepasst werden kann, und ich erwarte weitere Leistungsverbesserungen.“ Technologie reift.

Die Reife wird sich direkt aus der Markteinführung von QDs und der Beobachtung der Leistung der Sensoren bei der Einführung realer Anwendungen durch die Entwickler ergeben – ein Prozess, der jetzt in Gang kommt. Von da an sieht Malinowski drei weitreichende Anwendungsfälle, die Gestalt annehmen.

Eine davon wird der direkte Ersatz von InGaAs-Sensoren durch QDs in Anwendungen sein, die derzeit die etablierte Technologie nutzen, obwohl selbst QD-Entwickler anerkennen, dass die neuen Materialien möglicherweise nicht unbedingt die beste Wahl für Benutzer sind, die mit der Leistung der vorhandenen SWIR-Sensoren zufrieden sind. Ein zweites Szenario besteht darin, dass tatsächlich eine bessere Leistung angestrebt wird, beispielsweise bei der Inspektion von Halbleiterwafern, wo die kleineren Pixel, die in einem QD-Sensor möglich sind, zu einem Bild mit höherer Auflösung führen könnten.

„Der dritte und für mich interessanteste Anwendungsfall ist, dass SWIR noch nie zuvor verwendet wurde, jetzt aber in greifbare Nähe rückt“, sagt Malinowski. „Neue Technologien werden Investitionen in SWIR für völlig neue Einsatzmöglichkeiten attraktiv machen, und das sind die großen Märkte, die sich dann eröffnen werden.“

Unterdessen konzentrieren sich die QD-Entwickler bei Imec auf Möglichkeiten, die Herstellung und langfristige Zuverlässigkeit von QD-basierten Sensoren zu optimieren und ein Problem anzugehen, das der Technologie – zumindest vorerst – noch innewohnt: die Verwendung von Blei.

„Der Volumengehalt von Blei ist gering, typischerweise unter 0,1 % des Volumens, und ich denke, dass die ersten QD-Produkte dort erscheinen werden, wo Benutzer es problemlos vertragen“, kommentiert Malinowski. „Aber für einige Entwickler und einige Anwendungen ist jeglicher Vorsprung einfach ein No-Go. Daher wird bereits viel an alternativen Formulierungen geforscht, die letztendlich möglicherweise eine noch bessere Leistung bieten, und wie man QDs vollständig funktionsfähig machen kann.“ -freundlich und herstellbar.“

Malinowski geht davon aus, dass all diese Hürden überwunden werden, wenn SWIR für bestimmte Massenanwendungen zunehmend zur bevorzugten Technologie wird und Entwickler die Anpassungsmöglichkeiten nutzen, die neue SWIR-Sensormaterialien bieten können.

„Vergleiche mit InGaAs sind schwierig, da es sich um eine etablierte Technologie handelt, die über mehrere Jahrzehnte entwickelt wurde und QDs ihre ersten kommerziellen Produkte erst im Jahr 2021 auf den Markt gebracht haben“, sagt er. „Aber jetzt geht es darum, QDs zum Einsatz zu bringen, die Zuverlässigkeit zu untersuchen und die Leistung zu maximieren. Bei Quantenpunkten zeigen alle Hinweise in die richtige Richtung.“

TriEye, ein 2017 gegründetes israelisches Technologieunternehmen, hat hochauflösende SWIR-Bildsensoren entwickelt, die mit herkömmlichen CMOS-Halbleiterprozessen hergestellt werden können, ein Ansatz, der die Herstellungskosten im Vergleich zu etablierten InGaAs-Sensoren senkt.

Die TriEye-Produktionstechnologie basiert auf nanophotonischen Durchbrüchen an der Hebräischen Universität in Jerusalem und ist in der Lage, die Pixelgröße des Sensors zu reduzieren und so die SWIR-Bildauflösung zu erhöhen. Das Standardprodukt des Unternehmens erreicht derzeit eine Auflösung von 1.280 x 960 im CMOS-Imager-Format. Ebenso wichtig ist, dass sich die Technologie problemlos in bestehende Massenproduktionsabläufe einfügt, in denen CMOS-gefertigte Geräte vertraut sind.

„Die industrielle SWIR-Bildgebung ist heute durch die Kosten von InGaAs-Kameras begrenzt“, kommentiert David Cheskis von TriEye. „Unsere CMOS-basierte SWIR-Technologie reduziert die Kosten des Sensors und kann in nahezu allen industriellen Kameraanwendungen eingesetzt werden. Für SWIR-Anwendungen ermöglicht sie sowohl Kostenreduzierung als auch Massenproduktion.“

Die aktuellen CMOS-SWIR-Sensoren des Unternehmens weisen eine etwas geringere Quanteneffizienz als InGaAs-Sensoren und einen höheren Dunkelstrom auf. Faktoren, die die Fähigkeit der Technologie einschränken könnten, bestehende Sensoren für High-End-Bildgebungsanwendungen im Militär- oder Luft- und Raumfahrtbereich zu ersetzen. TriEye geht jedoch davon aus, dass CMOS SWIR in völlig neuen Sektoren Wirkung zeigen und die SWIR-Bildgebung auf die von Yole identifizierten Märkte mit höherem Volumen ausweiten wird.

Die Technologie von TriEye senkt nicht nur die Kosten, sondern kann auch Tiefenerkennungsfunktionen zur SWIR-Bildgebung hinzufügen: Die Sedar-Plattform (Spectrum Enhanced Detection and Ranging) des Unternehmens kombiniert SWIR-Bildgebung mit deterministischer 3D-Tiefenerkennung durch Einbeziehung einer Beleuchtungsquelle.

„Die Integration von Beleuchtung ist der Schlüssel“, sagt Cheskis. „Die Kombination von Sensor und Beleuchtung in der Sedar-Plattform erweitert die Möglichkeiten der SWIR 3D-Tiefenerfassungssysteme für den Einsatz im Freien und auf große Entfernungen, während gleichzeitig die Augensicherheit gewahrt bleibt.“

Die Beleuchtung an Bord erleichtert auch die Einbindung bestehender Objekterkennungsalgorithmen und maschineller Lernroutinen, wodurch es einfacher wird, die von SWIR-Kameras erfassten Objekte und Personen oder die verschiedenen in einer einzelnen Szene abgebildeten Materialien zu identifizieren.

Verbraucher- und Mobilgeräte könnten ohne weiteres davon profitieren, da Sedar in der Lage ist, den nutzbaren Bereich der Tiefenerkennungstechnologie an Bord von Smartphones über das hinaus zu erweitern, was mit aktuellen Nicht-SWIR-Implementierungen möglich ist. Entwickler wie Intel und Apple sind bereits mit der Nahinfrarot-Sensortechnologie vertraut und nutzen sie in ihren Verbraucherplattformen. CMOS SWIR könnte die nächste Weiterentwicklung dieser Fähigkeit für dieselben Geräte darstellen.

Eines der Ziele für kostengünstigere SWIR-Sensoren ist der Automobilsektor zur Fahrerassistenz. Bildnachweis: Andrey Suslov/shutterstock.com

Ein weiteres Ziel von TriEye ist der Automobilsektor, wo autonome Fahrzeuge und fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) derzeit Lidar-Technologie nutzen, um die Welt um sie herum abzubilden, die Umgebung zu überwachen und entsprechend zu reagieren. TriEye geht davon aus, dass Sedar die Kosten aktueller ADAS-Plattformen um mehr als das Zehnfache senken wird.

„Diese Anwendungen werden alle durch das Grundprinzip einer kostengünstigen und großvolumigen CMOS-SWIR-Plattform ermöglicht“, sagt Cheskis. „Vor zehn Jahren kam es zu einer Revolution in der Bildgebung, als Nah-IR- und 3D-Funktionen auf den Markt kamen, und jetzt beginnt eine SWIR-Revolution. Automobilanwendungen haben einen längeren Designzyklus als andere Märkte, aber es gibt kommerzielle Sektoren, die sie nutzen können.“ CMOS SWIR, das die Technologie einsetzen wird, sobald sie verfügbar ist. Wir gehen daher davon aus, dass es im Jahr 2023 viele CMOS SWIR-Aktivitäten geben wird.“

Das bevorstehende Wachstum von SWIR-Anwendungen wird jedoch nicht allein auf neuartige Sensortechnologien zurückzuführen sein. InGaAs-Sensoren sind nach wie vor eine etablierte Option und für bestimmte Anwendungen gut geeignet, während Entwickler mit einem tiefen Verständnis der Fähigkeiten des Materials seine Sensorfähigkeiten weiter verbessern.

„InGaAs spielt immer noch eine wichtige Rolle im Kurzwellenband“, kommentiert Frédéric Aubrun von Xenics, einem Entwickler von Infrarot-Bildsensoren, der ursprünglich im Jahr 2000 von Imec ausgegliedert wurde. „Seine Kombination aus Empfindlichkeit, Signal-Rausch-Verhältnis und Dynamik.“ Reichweite und Quanteneffizienz führen dazu, dass es für eine Gruppe von Anwendungen keinen wirklichen Ersatz für InGaAs gibt und es auch in absehbarer Zeit keinen geben wird.“

Die Betriebsleistung ist der Schlüssel zu dieser Langlebigkeit, und Aubrun weist auf die Rolle hin, die InGaAs im gesamten Ökosystem industrieller SWIR-Bildverarbeitungssysteme spielen kann, in dem jedes Photon eine wertvolle Ressource ist.

Xenics hat InGaAs-Sensoren für Lebensmittelsortier- und -verarbeitungslinien geliefert, bei denen gefrorene Gegenstände mit hoher Geschwindigkeit und unter der Schwerkraft durch das Sichtfeld eines Bildgebungssystems fallen – ein Szenario, in dem eine Erhöhung der Beleuchtungsleistung zum Ausgleich eines kurzen Erfassungsfensters dem Produkt schaden würde selbst. Laut Xenics bleibt InGaAs die beste Option, um das verfügbare Licht in einem solchen Szenario zu nutzen.

Überwachungs- und Sicherheitssysteme erfordern ebenfalls eine besondere Quanteneffizienz ihrer SWIR-Sensoren, um eine akzeptable Nachtsicht oder Objekterkennung zu ermöglichen. Die Kombination von Leistungsparametern, die InGaAs-Sensoren charakterisieren, kann sie für diese Anwendungsfälle effektiver machen als neuere Technologien.

Dennoch erkennt Aubrun die Faktoren an, die zur Entwicklung dieser neuartigen Sensoren beigetragen haben.

„Es stimmt, dass InGaAs eine relativ teure Technologie ist“, sagt er. „Unsere Antwort bei Xenics besteht darin, die Produktion von InGaAs-Sensoren von Anfang bis Ende zu beherrschen und die Produktionsausbeute unserer eigenen Produktionslinien so zu kontrollieren, dass wir die Kosten mit dem Fertigungsvolumen in Einklang bringen. Während sich InGaAs-Anwendungen weiterentwickeln, wollen wir die Zukunft unserer Produkte mitgestalten.“ unter unserer eigenen Kontrolle.

Ein sich entwickelndes InGaAs-Geschäft könnte die Freiraumoptik sein, bei der die geringe atmosphärische Absorption kurzwelliger Wellenlängen eine effizientere optische Signalübertragung ermöglicht, als dies mit sichtbarem Licht möglich ist. Der Kompromiss zwischen verbesserter Übertragung und den Kosten eines InGaAs-Geräts wird die etablierte Sensortechnologie als wirtschaftliche Lösung für optische Freiraumkommunikation und Quantenschlüsselimplementierungen begünstigen, sagt Aubrun.

Gleichzeitig arbeitet das Unternehmen daran, die etablierten InGaAs-Eigenschaften weiter zu verbessern, erforscht Möglichkeiten zur Steuerung des Dunkelstroms der Fotodiode bei Abwesenheit eintreffender Photonen und verändert möglicherweise das spektrale Reaktionsband des Sensormaterials selbst. Diese Verbesserungen sind das Ergebnis einer umfassenden Kenntnis des InGaAs-Materials, die über Jahrzehnte im industriellen Einsatz aufgebaut wurde.

„Das lässt sich nicht einfach im Handumdrehen erledigen, da dafür sowohl Geld als auch Ressourcen investiert werden müssen“, fügt Aubrun hinzu. „Unsere Produktlinie entwickelt sich weiter, unser Geschäft wächst und InGaAs ist immer noch eine bedeutende Sensortechnologie.“