Salto quantico per l’imaging SWIR

Finora il settore dell'infrarosso a onde corte è stato dominato da sensori basati sull'arseniuro di indio e gallio (InGaAs). Le capacità di rilevamento fotografico di questo materiale supportano un mercato delle telecamere industriali e per la difesa che i consulenti Yole Développement hanno valutato a 429 milioni di dollari nel 2021.

Ma Yole prevede che il settore raggiungerà i 4 miliardi di dollari entro il 2027, con l’arrivo di SWIR nel mercato di massa e nei dispositivi di consumo. A quel punto, la tecnologia precedentemente di fascia alta potrebbe essere una parte familiare della guida di un’auto o dell’utilizzo di uno smartphone. Si ritiene che quest'ultima area di applicazione valga 3,2 miliardi di dollari, se si considerano anche i sensori, l'ottica e l'alloggiamento, e raggiungerà queste vette già oggi.

Questa drammatica espansione si baserà su nuove forme di sensori, alternative ai materiali InGaAs consolidati. Un esempio sono i fotorilevatori a film sottile che utilizzano punti quantici colloidali (QD) come assorbitori, in particolare QD basati sul solfuro di piombo (PbS). I punti quantici sono stati originariamente sviluppati a metà degli anni 2000 come materiale processato in soluzione capace di sensibilità competitiva a lunghezze d’onda superiori a 1.000 nanometri. Ma dalla loro scoperta sono stati compiuti progressi significativi in ​​parametri vitali del mondo reale come l’efficienza quantistica.

"I punti quantici non sono più solo una curiosità", commenta Pawel Malinowski del laboratorio di ricerca belga Imec, un centro di sviluppo per i QD e il loro utilizzo nei sensori di immagine SWIR. "Il mercato SWIR sta iniziando ad aprirsi a causa di alcuni particolari sviluppi tecnologici, di cui i QD sono uno. Si tratta di assorbitori a banda larga la cui risposta spettrale può essere regolata attraverso la progettazione dello stack e altri parametri, e mi aspetto di vedere ulteriori miglioramenti nelle prestazioni man mano che la tecnologia matura."

La maturità deriverà direttamente dall'utilizzo dei QD sul mercato e dall'osservazione da parte degli sviluppatori delle prestazioni dei sensori mentre entrano nelle applicazioni del mondo reale: un processo che sta ora iniziando a verificarsi. Da lì, Malinowski vede prendere forma tre ampi casi d’uso.

Una sarà la sostituzione diretta dei sensori InGaAs con QD nelle applicazioni che attualmente utilizzano la tecnologia consolidata, sebbene anche gli sviluppatori QD riconoscano che i nuovi materiali potrebbero non essere necessariamente la scelta migliore per gli utenti soddisfatti delle prestazioni dei sensori SWIR esistenti. Un secondo scenario è quello in cui l'obiettivo è effettivamente migliorare le prestazioni, ad esempio nell'ispezione dei wafer semiconduttori, dove i pixel più piccoli possibili in un sensore QD potrebbero portare a un'immagine con una risoluzione più elevata.

"Il terzo caso utente, per me il più interessante, è quello in cui SWIR non è mai stato utilizzato prima ma ora è a portata di mano", afferma Malinowski. "Le nuove tecnologie renderanno gli investimenti in SWIR attraenti per usi completamente nuovi, e questi saranno i grandi mercati che poi si apriranno."

Nel frattempo gli sviluppatori QD di Imec si stanno concentrando su modi per ottimizzare la produzione e l’affidabilità a lungo termine dei sensori basati su QD e affrontando un problema che rimane inerente – almeno per ora – alla tecnologia: l’uso del piombo.

"Il contenuto in volume di piombo è piccolo, in genere inferiore allo 0,1% del volume, e penso che i primi prodotti QD appariranno dove gli utenti potranno tollerarlo senza problemi", commenta Malinowski. "Ma per alcuni sviluppatori e alcune applicazioni, qualsiasi vantaggio è semplicemente impossibile. Quindi, sono già in corso molte ricerche su formulazioni alternative, che alla fine potrebbero avere prestazioni ancora migliori, e su come rendere i QD completamente favolosi." -friendly e producibili."

Malinowski prevede che tutti questi ostacoli verranno superati man mano che SWIR inizierà a diventare la tecnologia preferita per determinati usi ad alto volume e man mano che gli sviluppatori sfrutteranno le possibilità di personalizzazione che i nuovi materiali per sensori SWIR possono offrire.

"I confronti con InGaAs sono difficili, poiché si tratta di una tecnologia dominante sviluppata nel corso di diversi decenni e i QD hanno visto i loro primi prodotti commerciali lanciati solo nel 2021", afferma. "Ma ora si tratta solo di mettere in funzione i QD, studiarne l'affidabilità e massimizzare le prestazioni. Per i punti quantici, tutti i puntatori sono nella giusta direzione."