SWIRイメージングの量子的飛躍

現在まで、短波赤外線分野はインジウム ガリウム ヒ素 (InGaAs) ベースのセンサーが主流でした。 この材料の光検出能力は、コンサルタントのYole Développementが2021年に4億2,900万ドルと評価する防衛および産業用カメラの市場を支えています。

しかし、SWIRが大衆市場や消費者向けデバイスに導入されると、この分野は2027年までに40億ドルに膨らむだろうとYoleは予測している。 その頃には、これまでハイエンドだったテクノロジーが、車の運転やスマートフォンの使用に馴染みのあるものになるかもしれません。 センサーと光学系、ハウジングを考慮すると、後者のアプリケーション分野だけでも 32 億ドルの価値があると考えられており、今日のスタートからその高みに達するでしょう。

この劇的な拡張は、確立された InGaAs 材料に代わる新しい形式のセンサーに基づいて構築されます。 一例は、吸収体としてコロイド量子ドット（ＱＤ）、特に硫化鉛（ＰｂＳ）をベースとしたＱＤを使用する薄膜光検出器である。 量子ドットはもともと 2000 年代半ばに、1,000 ナノメートルを超える波長で優れた感度を実現できる溶液処理材料として開発されました。 しかし、それらの発見以来、量子効率などの重要な現実世界のパラメータは大幅に進歩しました。

「量子ドットはもはや単なる好奇心ではありません」と、量子ドットとSWIRイメージセンサーでの量子ドットの使用の開発センターの1つであるベルギーの研究所Imecのパヴェル・マリノフスキー氏はコメントする。 「SWIR市場は、特定の技術開発のおかげで開き始めており、QDもその1つです。QDは、スタック設計やその他のパラメータを通じてスペクトル応答を調整できる広帯域吸収体であり、私は、QDとしての性能のさらなる向上が見られると期待しています」テクノロジーは成熟します。」

成熟度は、量子ドットが市場で使用され、開発者がセンサーが現実世界のアプリケーションに投入される際のパフォーマンスを観察することから直接導き出されます。このプロセスは現在起こり始めています。 そこから、マリノフスキー氏は 3 つの広範なユースケースが具体化していくと見ています。

1 つは、現在確立された技術を使用しているアプリケーションにおいて、InGaAs センサーを量子ドットに直接置き換えることです。ただし、QD 開発者ですら、既存の SWIR センサーの性能に満足しているユーザーにとって、新しい材料が必ずしも最良の選択ではない可能性があることを認めています。 2 番目のシナリオは、より優れたパフォーマンスが実際に目標となる場合です。たとえば、QD センサーで可能な限り小さなピクセルが画像の解像度を高める可能性がある半導体ウェーハ検査などです。

「3 番目の、そして私にとって最も興味深いユーザー ケースは、これまで SWIR が使用されたことがなかったが、今では手の届くところにあるというケースです」と Malinowski 氏は言います。 「新しい技術により、SWIR への投資はまったく新しい用途にとって魅力的なものとなり、これらはその後開かれる大きな市場となるでしょう。」

一方、Imec の QD 開発者は、QD ベースのセンサーの製造と長期信頼性を最適化する方法に焦点を当てており、少なくとも現時点ではこの技術に内在する問題、つまり鉛の使用に取り組んでいます。

「鉛の含有量は少なく、通常は体積の 0.1% 未満です。ユーザーが問題なく許容できる最初の QD 製品が登場すると思います」とマリノフスキー氏はコメントしています。 「しかし、一部の開発者や一部のアプリケーションにとっては、いかなるリードもまったく不可能です。そのため、最終的にはさらに優れたパフォーマンスを実現できる可能性のある代替配合物や、量子ドットを完全にファブにする方法について、すでに多くの研究が進行中です」 -フレンドリーで製造可能。」

SWIR が特定の大量用途に最適な技術になり始め、開発者が新しい SWIR センサー材料が提供できるカスタマイズの可能性を活用するにつれて、これらのハードルはすべて克服されるだろうとマリノフスキー氏は予想しています。

「InGaAsとの比較は難しい。なぜなら、InGaAsは数十年かけて開発された既存の技術であり、量子ドットは2021年に最初の商用製品が発売されたばかりだからだ」と彼は言う。 「しかし今では、量子ドットを機能させ、信頼性を研究し、パフォーマンスを最大化することがすべてです。量子ドットに関しては、すべての指針が正しい方向を向いています。」