量子點技術推動SWIR機器視覺應用

量子點技術曾經(jīng)被認為只是一種科學上的好奇探索，但現(xiàn)在它正使全球數(shù)十億美元的成像和傳感市場發(fā)生革命性的變化。每年，正越來越多地涌現(xiàn)出這些納米級半導體的應用。由于量子點技術非常適合從成像到光伏的所有應用領域，其為機器視覺行業(yè)的爆炸式增長貢獻了一份力量。分析師預測，到2027年，這些納米級半導體材料的市場規(guī)?？赡苓_到3.6億美元。隨著人工智能（AI）和相機系統(tǒng)的快速發(fā)展，對短波紅外（SWIR）靈敏度的需求進一步增加，量子點技術迎來了飛速發(fā)展。量子點合成方法和替代方案繼續(xù)突破，將使量子點進入越來越多樣化的領域；隨著技術的進一步發(fā)展，下一代SWIR傳感器將越來越容易獲得。什么是量子點？量子點是納米級半導體材料，對這種材料施加一定的電場或光壓，材料就會發(fā)出特定波長的光，并且發(fā)光波長會隨著材料的尺寸變化而變化。量子點能發(fā)出的波長達2600nm。大致來說，量子點可以分為膠體或外延兩種類型。外延量子點是使用高能“干”化學法（外延生長法）生產(chǎn)的，而膠體量子點是通過臺式“濕”化學法（化學溶液生長法）生產(chǎn)的，這賦予了量子點無與倫比的光電性能，以及在合成過程中量子點晶體的精確尺寸控制。因此，膠體量子點明顯比外延量子點方案更便宜、更容易生產(chǎn)，在視覺系統(tǒng)中最為常用。膠體量子點（以下簡稱“量子點”）尺寸通常在2~10nm之間，或者只有幾個原子寬。用于光電探測應用的量子點，由具有有機配體外殼的半導體芯體制成，該有機配體外殼使量子點能夠分散在溶劑中。這有利于使用低成本的沉積方法，如旋涂法；而外延量子點需要諸如晶格匹配和熱預算的約束。大多數(shù)量子點是使用長鏈有機配體交換生產(chǎn)的，這樣可以為量子點的生長提供卓越的控制能力，并有助于保持量子點在溶劑中的膠體穩(wěn)定性。在這個過程中，長鏈有機配體被更短、更導電的配體取代，這使得量子點更適用于光電器件，并增加固體膜層中納米顆粒之間的電子耦合。與生產(chǎn)具有更寬尺寸的外延量子點方案相比，生產(chǎn)僅幾個原子寬的量子點的能力所帶來的好處是：增加量子限域效應。當一個粒子與它所包含的電子的波長相比相對較小時，可以觀察到量子約束效應。量子點本質(zhì)上是一個小的半導體盒子，隨著這個盒子的尺寸減小，價態(tài)和導帶之間的帶隙減小。這增加了受限電子的勢能，導致粒子呈現(xiàn)出極其可調(diào)的發(fā)射波長。圖1：一位科學家使用光學顯微鏡檢查量子點薄膜。紅外成像與傳感量子點可調(diào)到不同波長的能力，保障了它們在新興技術領域的廣泛應用。使用量子點可以產(chǎn)生明亮、生動的顏色，再加上量子點技術的效率，在可見光波段，使其非常適合顯示應用。量子點可以添加到LCD顯示器中的薄膜、濾光片、玻璃和電子產(chǎn)品中，以產(chǎn)生高精度圖像；因此，這項技術已經(jīng)廣泛應用于商用電視和計算機顯示器中。然而，量子點技術的這些應用還只是觸及到量子點應用能力的膚淺表面。真正獲得量子點帶來的好處、并迎來機器視覺領域的重大變化，需要將量子點材料的受激輻射波長調(diào)到可見光波長之外的紅外波段。機器視覺和成像系統(tǒng)受益于高性能SWIR傳感技術的出現(xiàn)。InGaAs（砷化銦鎵）基傳感器已經(jīng)被廣泛使用，但InGaAs的成本迄今為止還在限制這類傳感器的應用潛力。InGaAs基傳感器通常每單位成本高達10000美元；由于批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的高缺陷率，因此實際生產(chǎn)InGaAs基傳感器的成本會更高。生成InGaAs基傳感器，需要將材料外延生長到磷化銦（InP）為基底的晶圓片上，并切成芯片。然后，在一種被稱為“倒裝芯片混合”的過程中，像素與半導體讀出電路通過銦化物結(jié)合。這一過程不但生產(chǎn)成本高昂，而且還會導致像素間距和分辨率受限。InP材料固有的易碎特性，也使得制造更大尺寸的晶圓片極具挑戰(zhàn)性。一些InGaAs基傳感器試圖通過使用銅-銅（Cu-Cu）混合晶圓片結(jié)合技術，來克服其像素間距受限的挑戰(zhàn)。然而，由于這些傳感器在室溫下處于高暗電流環(huán)境中，傳感器更容易受到噪聲的影響，這意味著需要龐大的冷卻系統(tǒng)來實現(xiàn)所需的圖像質(zhì)量。此外，這種情況下，基于InGaAs技術的傳感器，在沒有進一步化學干預的情況下，無法感應大于1700nm的波長。雖然增加所使用的銦含量，可以將感光波長范圍擴展到約2600nm，但傳感器的整體性能會降低，并且成本會增加400%-500%，因此需要對InGaAs基傳感器的整體性能指標做折中權衡。相比之下，硫化鉛基（PbS）量子點能夠獲得類似或優(yōu)越的性能，而成本只是InGaAs技術的一小部分。PbS量子點具有靈活的寬帶可調(diào)諧性，覆蓋可見光、近紅外、SWIR和中波紅外（MWIR）波段；具有較強的光學吸收性能和較大的介電常數(shù)；以及與各種襯底和形狀因子的兼容性；因此，PbS量子點特別適合SWIR成像和傳感應用。再加上其較低的生產(chǎn)成本，這項技術使SWIR能夠進入更為廣泛的業(yè)務應用領域。這種低成本之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，主要得益于創(chuàng)新的量子點配方技術使千克量級的量子點生產(chǎn)成為可能?，F(xiàn)代合成方法消除了在14-16層的晶圓片上沉積量子點、并在每個單獨階段利用“旋涂”工藝進行化學處理或洗滌的需要。相反，量子點晶體可以沉淀在單一層中，消除了進一步化學處理的需要，并最大限度地減少了沉淀量子點薄膜產(chǎn)生缺陷的重大風險，如薄膜破裂和低效的交換過程。現(xiàn)代合成方法工藝縮短了生產(chǎn)量子點所花費的時間，減少了材料浪費，大大提高了可獲得的材料產(chǎn)量。因此，高性能PbS基底的量子點生產(chǎn)可以達到足夠的生產(chǎn)規(guī)模，以滿足市場對SWIR傳感技術日益增長的需求。圖2：沉積在玻璃基板上的量子點薄膜。為測量薄膜厚度，對薄膜進行了刮擦。應用由于量子點技術帶來的低成本和高性能，PbS量子點顯著拓寬了機器視覺應用中SWIR成像的使用范圍。配備量子點的傳感器，可以穿透密封容器“看見”被測目標，從而監(jiān)測密封容器的填充水平或檢查損壞情況，也可以穿透半導體硅片，提升半導體器件制造中的連接質(zhì)量檢測水平。在某些波長條件下，SWIR光波能夠被水高度吸收，這意味著在這種條件下，含水量高的目標圖像看起來是黑色的。在實際應用中，可以利用SWIR相機檢測到碰傷或變質(zhì)的水果，或道路上的透明冰層。值得注意的是，其他波長，如NIR和MWIR（也常用于機器視覺中），則無法執(zhí)行類似的功能。SWIR傳感器還可在所有光線和天氣條件下，提供更好的性能。也許其他波長由于遇到灰塵、霧和降水會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，但SWIR光波不受影響，這意味著無論是在什么條件下，使用SWIR傳感器的相機都能以最佳方式運行。這使得SWIR傳感器在國防、安全，以及在涉及光探測和雷達測距（LiDAR）系統(tǒng)等應用的汽車傳感器上，具有巨大應用潛力——這類傳感器的有效感應范圍可以擴展到500m。量子點也有可能使其他新興技術受益。越來越多的制造商正在將AI集成到他們的機器視覺系統(tǒng)中，利用AI的力量提高自動化及效率。AI為視覺系統(tǒng)提供了一種識別周圍環(huán)境模式的工具，將視覺系統(tǒng)捕獲的圖像與不斷進化的參考圖像數(shù)據(jù)庫進行比對。例如，使用AI，機器視覺系統(tǒng)可以利用自然語言處理，以更好地理解和解釋標簽上的文本。隨著技術的進步，像深度學習這樣更令人興奮的應用程序，將實現(xiàn)高度復雜過程的自動化。量子點使得AI訪問數(shù)據(jù)的能力增強，加速了AI應用的進程。AI的工作是基于分析數(shù)據(jù)集和識別模式進行的。這個數(shù)據(jù)集是AI所知道的全部信息，這意味著信息的質(zhì)量決定了這些信息的有效性。配備量子點的傳感器能夠捕捉和分析大量人眼“看不見”的數(shù)據(jù)，并比現(xiàn)有的解決方案更準確地感知周圍的世界，這將改善AI可以訪問的數(shù)據(jù)范圍，使AI工具變得更加強大。量子點技術在其他領域也大有潛力。在醫(yī)學上，量子點可以在不需要侵入式手術的情況下，用于檢測患者皮膚下的隱藏狀況。在消費電子領域，SWIR功能可以促進下一代智能手機光譜或增強虛擬和增強現(xiàn)實設備的發(fā)展。在光伏技術中，配備量子點的太陽能電池具有更好的高光穩(wěn)定性和可調(diào)帶隙，可以比硅或銅銦鎵硒化合物方案更有效地產(chǎn)生激子。使用量子點，可以使太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率從32%~33%提高到66%。量子點技術面臨的挑戰(zhàn)量子點技術在機器視覺領域大規(guī)模應用的主要障礙是其可擴展性。許多開發(fā)人員在努力解決納米顆粒合成難以控制、環(huán)境退化和不同批次間一致性差等問題。克服這些挑戰(zhàn)需要量子點合成和放大、表面化學、油墨配方工藝、制造和測試方面的專業(yè)知識。此外，迄今為止，即使是性能最好的量子點，其固有毒性也限制了它們在大眾市場的使用。為了實現(xiàn)盡可能高的效率，量子點必須具有由鎘或鉛等物質(zhì)制成的涂層，這些涂層物質(zhì)因其有害因素而在許多市場受到嚴格監(jiān)管。盡管有其他解決方案，比如可以用重金屬代替銦等物質(zhì)，但這些解決方案的量子點，性能通常不佳。性能最好的無鉛量子點的發(fā)射波長達為1550nm，這雖然適用于某些SWIR傳感應用，但對執(zhí)行需要更高靈敏度的任務來說還是不夠的。前景可期如今，量子點技術已不是一個遙不可及的概念，它已經(jīng)出現(xiàn)在實際應用中。幾個主要的行業(yè)參與者已經(jīng)將基于量子點的成像器件引入到工業(yè)應用中，并將其作為現(xiàn)有InGaAs技術的替代方案。這些成像設備已經(jīng)證明：小于2000nm像素間距的小型全局快門像素，可以在提供高性能的同時，顯著降低生產(chǎn)成本。隨著量子點技術的進步，量子點大規(guī)模應用的障礙消除，半導體納米晶體會使S