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基于CMOS基底的CQD技術

來源:www.bearrr.com    日期:2019-07-08    點擊次數:

長久以來,紅外相機芯片領域由于材料問題,一直由少數半導體材料牢牢把持著。成本高,靶面卻不高。一款應用量子技術打造的新産品,能夠讓便宜的CMOS芯片也能夠成爲紅外相機。

紅外,想說愛你不容易

在近紅外、短波紅外領域,可用于紅外成像的材料其實並不多。總體來說,SWIR領域可以選擇InGaAs(铟镓砷)材料,MWIR波段可以使用InSb(銻tì化铟)或者T2SL2類超晶格)探測3~5μm範圍內的波長,也可以使用擴展譜段的芯片探測更加寬廣的譜段範圍比如1~5μmInSb)或者2.5~5μmHgCdTe,碲化镉),非制冷型LWIR微測輻射熱計傳感器通常使用a-Si(非晶硅)或者Vox(氧化釩)制造。

爲什麽要用這些材料呢?因爲傳統成像CMOSCCD都是以Si(硅)爲基底,各種電路和探測器可以集成在上面。這種工藝非常成熟,也可以大規模制造,所以成本非常低。但是Si基底的探測器響應的截止波長在1.1μm以下,如此短的波長就決定了其在紅外探測領域的局限性。

CMOS芯片的結構多以Si爲基底,響應波長只能在1.1μm以下。

PtSi肖特基勢壘紅外芯片可以用于1~3μm的短波紅外領域,但量子效率僅有2~4%HgCdTe材料響應波長範圍寬、響應速度快、量子效率高,在低溫下具有較高性能,但其材料生長難度大,一旦靶面變大後,成本隨之快速飙升,且需要配備複雜的制冷設備,增加了系統設計的難度和成本。

近幾年新型的InGaAs材料已經成爲短波紅外波段的主流配置。InGaAsHgCdTe更容易生長,而且可以在室溫和相對較高的溫度下穩定工作,且具有較高的靈敏度和量子效率,已經廣泛的應用于各領域中。

然而對于工業領域來說,目前InGaAs芯片相機的成本依然偏高,用戶急需一種更低成本的選擇。

量子點技術,下一代紅外探測新技術


量子點(Quantum Dot),是一種nm級別的半導體材料,其直徑僅有2~10nm,相當于10~50個原子寬度而已。這種半導體材料有一種獨特的特性:當對這種nm半導體材料施加一定的電場或者光壓,它就會發出特定頻率的光,而發出的光譜會隨著它的尺寸改變而變化。因而通過調節量子點的尺寸,就可以改變其發出的光的顔色。

2nm大小的量子點,可吸收長波的紅色,顯示出藍色,8nm大小的量子點,可吸收短波的藍色,呈現出紅色。這一特性使得量子點能夠改變光源發出的光線顔色。

小的量子點,例如膠體半導體nm晶,可以小到只有210nm,這相當于1050個原子的直徑的尺寸,在一個量子點體積中可以包含100100,000個這樣的原子。自組裝量子點的典型尺寸在1050nm之間。通過特殊的加工技術,量子點橫向尺寸可以超過100nm。將10nm尺寸的三百萬個量子點首尾相接排列起來可以達到人類拇指的寬度。

因此只要控制好量子點的尺寸,理論上就可以發出能夠覆蓋整個可見光區域的純淨光。

CdTe(碲化镉)量子爲例,當它的粒徑從2.5nm生長到4.0nm時,它們的發射波長可以從510nm紅移到660nm。而硅量子點等其他量子點的發光可以到近紅外區。

因此改變量子點的化學組成,就可以改變其的發射光譜。

來自SWIR VISION SYSTEMSAcuros系列短波紅外相機,就是應用量子點技術的最新産品。普通CMOS制程中,加入非常薄的PbS(硫化鉛)量子點薄膜層,可以使得原有像元的響應範圍大幅增加,最高可達400~1700nm

如此一來,該款相機既能擁有CMOS相機的低成本、高分辨率特點,又能在SWIR範圍內響應成爲名副其實的短波紅外相機,豈不快哉?

CQDCMOS Quantum Dot)芯片得益于其在CMOS制程中,加入了PbS量子點薄膜層。與傳統CMOS+濾光片不同,這層薄膜就像是改變了基底材料,從而將光譜響應範圍擴展。這點是傳統CMOS+濾光片無法做到的。

相較于現有InGaAs短波紅外相機,Acuros相機擁有更高的分辨率,640×512/1280×1024/1920×1080三種分辨率可選,價格卻是同等InGaAs相機的一半。像CMOS相機一樣,Acuros支持USB3.0/GigE通用數字接口,鏡頭尺寸C-Mount/F-Mount可選。支持TEC制冷,使用全局快門。

Acuros相機響應波段從400nm1700nm均有響應,綜合量子效率大于等于15%,極具性價比的價格優勢使得其非常適合有無判斷、物質判斷的工業檢測,以及安防監控領域。

▲使用Acuros相機拍攝的血液液面高度判斷,水果無損探傷,以及水面穿雲透霧效果實拍。

目前該款相機適用于EAR99出口分類,不受出口管控限制,客觀上講可以進一步降低工業用戶的部署成本。