欢迎登录中国视觉网!
应用案例频道
APPLICATION OF CASE
位置导航:首页 >> 应用案例 >> 应用案例 >> 基于CMOS基底的CQD技术

基于CMOS基底的CQD技术


时间:2019-11-08

应用领域:机器视觉


   长久以来,红外相机芯片领域由于材料问题,一直由少数半导体材料牢牢把持着。成本高,靶面却不高。一款应用量子技术打造的新产品,能够让便宜的CMOS芯片也能够成为红外相机。

红外,想说爱你不容易

   在近红外、短波红外领域,可用于红外成像的材料其实并不多。总体来说,SWIR领域可以选择InGaAs(铟镓砷)材料,MWIR波段可以使用InSb(锑tì化铟)或者T2SL(2类超晶格)探测3~5μm范围内的波长,也可以使用扩展谱段的芯片探测更加宽广的谱段范围比如1~5μm(InSb)或者2.5~5μm(HgCdTe,碲化镉),非制冷型LWIR微测辐射热计传感器通常使用a-Si(非晶硅)或者Vox(氧化钒)制造。

   为什么要用这些材料呢?因为传统成像CMOS或CCD都是以Si(硅)为基底,各种电路和探测器可以集成在上面。这种工艺非常成熟,也可以大规模制造,所以成本非常低。但是Si基底的探测器响应的截止波长在1.1μm以下,如此短的波长就决定了其在红外探测领域的局限性。


▲CMOS芯片的结构多以Si为基底,响应波长只能在1.1μm以下

   PtSi肖特基势垒红外芯片可以用于1~3μm的短波红外领域,但量子效率仅有2~4%。HgCdTe材料响应波长范围宽、响应速度快、量子效率高,在低温下具有较高性能,但其材料生长难度大,一旦靶面变大后,成本随之快速飙升,且需要配备复杂的制冷设备,增加了系统设计的难度和成本。

   近几年新型的InGaAs材料已经成为短波红外波段的主流配置。InGaAs比HgCdTe更容易生长,而且可以在室温和相对较高的温度下稳定工作,且具有较高的灵敏度和量子效率,已经广泛的应用于各领域中。

然而对于工业领域来说,目前InGaAs芯片相机的成本依然偏高,用户急需一种更低成本的选择。

量子点技术,下一代红外探测新技术

   量子点(Quantum Dot),是一种nm级别的半导体材料,其直径仅有2~10nm,相当于10~50个原子宽度而已。这种半导体材料有一种独特的特性:当对这种nm半导体材料施加一定的电场或者光压,它就会发出特定频率的光,而发出的光谱会随着它的尺寸改变而变化。因而通过调节量子点的尺寸,就可以改变其发出的光的颜色。


▲2nm大小的量子点,可吸收长波的红色,显示出蓝色,8nm大小的量子点,可吸收短波的蓝色,呈现出红色。这一特性使得量子点能够改变光源发出的光线颜色

   小的量子点,例如胶体半导体nm晶,可以小到只有2到10个nm,这相当于10到50个原子的直径的尺寸,在一个量子点体积中可以包含100到100,000个这样的原子。自组装量子点的典型尺寸在10到50nm之间。通过特殊的加工技术,量子点横向尺寸可以超过100nm。将10nm尺寸的三百万个量子点首尾相接排列起来可以达到人类拇指的宽度。

   因此只要控制好量子点的尺寸,理论上就可以发出能够覆盖整个可见光区域的纯净光。

以CdTe(碲化镉)量子为例,当它的粒径从2.5nm生长到4.0nm时,它们的发射波长可以从510nm红移到660nm。而硅量子点等其他量子点的发光可以到近红外区。

   因此改变量子点的化学组成,就可以改变其的发射光谱。

   来自SWIR VISION SYSTEMS的Acuros系列短波红外相机,就是应用量子点技术的最新产品。普通CMOS制程中,加入非常薄的PbS(硫化铅)量子点薄膜层,可以使得原有像元的响应范围大幅增加,最高可达400~1700nm。

如此一来,该款相机既能拥有CMOS相机的低成本、高分辨率特点,又能在SWIR范围内响应成为名副其实的短波红外相机,岂不快哉?


▲CQD(CMOS Quantum Dot)芯片得益于其在CMOS制程中,加入了PbS量子点薄膜层。与传统CMOS+滤光片不同,这层薄膜就像是改变了基底材料,从而将光谱响应范围扩展。这点是传统CMOS+滤光片无法做到的

   相较于现有InGaAs短波红外相机,Acuros相机拥有更高的分辨率,640×512/1280×1024/1920×1080三种分辨率可选,价格却是同等InGaAs相机的一半。像CMOS相机一样,Acuros支持USB3.0/GigE通用数字接口,镜头尺寸C-Mount/F-Mount可选。支持TEC制冷,使用全局快门。


▲Acuros相机响应波段从400nm至1700nm均有响应,综合量子效率大于等于15%,极具性价比的价格优势使得其非常适合有无判断、物质判断的工业检测,以及安防监控领域


▲使用Acuros相机拍摄的血液液面高度判断,水果无损探伤,以及水面穿云透雾效果实拍

   目前该款相机适用于EAR99出口分类,不受出口管控限制,客观上讲可以进一步降低工业用户的部署成本。