Salto quântico para imagens SWIR

Até o momento, o setor infravermelho de ondas curtas tem sido dominado por sensores baseados em arsenieto de índio e gálio (InGaAs). As capacidades de fotodetecção deste material sustentam um mercado de câmeras industriais e de defesa que os consultores Yole Développement avaliaram em US$ 429 milhões em 2021.

Mas Yole prevê que o setor aumentará para US$ 4 bilhões até 2027, à medida que o SWIR chegar ao mercado de massa e aos dispositivos de consumo. Nessa altura, a tecnologia anteriormente topo de gama poderá ser uma parte familiar da condução de um carro ou da utilização de um smartphone. Acredita-se que apenas a última área de aplicação valha US$ 3,2 bilhões, se o sensor, a óptica e a caixa forem considerados, e atingirá essas alturas desde o início hoje.

Esta expansão dramática será construída sobre novas formas de sensores, alternativas aos materiais InGaAs estabelecidos. Um exemplo são os fotodetectores de filme fino que usam pontos quânticos coloidais (QDs) como absorvedores, em particular, QDs baseados em sulfeto de chumbo (PbS). Os pontos quânticos foram originalmente desenvolvidos em meados dos anos 2000 como um material processado em solução capaz de sensibilidade competitiva em comprimentos de onda acima de 1.000 nanômetros. Mas desde a sua descoberta, foram feitos avanços significativos em parâmetros vitais do mundo real, como a eficiência quântica.

“Os pontos quânticos não são mais apenas uma curiosidade”, comenta Pawel Malinowski, do laboratório de pesquisa belga Imec, um centro de desenvolvimento de QDs e seu uso em sensores de imagem SWIR. "O mercado SWIR está começando a se abrir devido a certos desenvolvimentos tecnológicos específicos, dos quais os QDs são um deles. Eles são absorvedores de banda larga cuja resposta espectral pode ser ajustada através do design da pilha e outros parâmetros, e espero ver mais melhorias no desempenho à medida que o a tecnologia amadurece."

A maturidade seguirá diretamente da colocação em uso dos QDs no mercado e da observação do desempenho dos sensores pelos desenvolvedores à medida que eles entram em aplicações do mundo real – um processo que agora está começando a acontecer. A partir daí, Malinowski vê três amplos casos de uso tomando forma.

Uma delas será a substituição direta dos sensores InGaAs por QDs em aplicações que atualmente utilizam a tecnologia estabelecida, embora até mesmo os desenvolvedores de QD reconheçam que os novos materiais podem não ser necessariamente a melhor escolha para usuários satisfeitos com o desempenho do sensor SWIR existente. Um segundo cenário é onde o objetivo é realmente um melhor desempenho, por exemplo, na inspeção de wafers semicondutores, onde os pixels menores possíveis em um sensor QD podem levar a uma imagem de resolução mais alta.

“O terceiro caso de usuário, e para mim o mais interessante, é aquele em que o SWIR nunca foi usado antes, mas agora está ao nosso alcance”, diz Malinowski. "As novas tecnologias tornarão o investimento em SWIR atrativo para utilizações inteiramente novas, e estes serão os grandes mercados que se abrirão."

Enquanto isso, os desenvolvedores de QD na Imec estão se concentrando em maneiras de otimizar a fabricação e a confiabilidade a longo prazo de sensores baseados em QD e em resolver um problema que permanece inerente – pelo menos por enquanto – à tecnologia: o uso de chumbo.

“O conteúdo volumétrico de chumbo é pequeno, normalmente abaixo de 0,1% do volume, e acredito que os primeiros produtos de QD aparecerão onde os usuários possam tolerá-lo sem problemas”, comenta Malinowski. "Mas para alguns desenvolvedores e algumas aplicações, qualquer pista é simplesmente impossível. Portanto, já existe uma grande quantidade de pesquisas em andamento sobre formulações alternativas, que podem, em última análise, ter um desempenho ainda melhor, e sobre como tornar os QDs totalmente fabulosos. -amigável e fabricável."

Malinowski prevê que todos esses obstáculos serão superados à medida que o SWIR começar a se tornar uma tecnologia preferida para determinados usos de alto volume e à medida que os desenvolvedores explorarem as possibilidades de personalização que os novos materiais de sensores SWIR podem oferecer.

“As comparações com InGaAs são difíceis, uma vez que se trata de uma tecnologia desenvolvida ao longo de várias décadas, e os QDs só viram seus primeiros produtos comerciais serem lançados em 2021”, diz ele. "Mas agora tudo se resume a colocar os QDs para funcionar, estudar a confiabilidade e maximizar o desempenho. Para pontos quânticos, todos os indicadores estão na direção certa."