Un pas de géant pour l’imagerie SWIR

Jusqu'à présent, le secteur infrarouge à ondes courtes était dominé par les capteurs à base d'arséniure d'indium et de gallium (InGaAs). Les capacités de photodétection de ce matériau alimentent un marché des caméras militaires et industrielles que le consultant Yole Développement valorise à 429 millions de dollars en 2021.

Mais Yole prédit que le secteur atteindra 4 milliards de dollars d'ici 2027, à mesure que SWIR arrivera sur le marché de masse et dans les appareils grand public. D’ici là, la technologie autrefois haut de gamme pourrait devenir un élément familier de la conduite automobile ou de l’utilisation d’un smartphone. On estime que ce dernier domaine d'application à lui seul vaut 3,2 milliards de dollars, si l'on prend en compte les capteurs, l'optique et le boîtier, et atteindra ces sommets dès aujourd'hui.

Cette expansion spectaculaire s'appuiera sur de nouvelles formes de capteurs, alternatives aux matériaux InGaAs établis. Un exemple est celui des photodétecteurs à couches minces utilisant des points quantiques colloïdaux (QD) comme absorbeurs, en particulier les QD à base de sulfure de plomb (PbS). Les points quantiques ont été initialement développés au milieu des années 2000 en tant que matériau traité en solution, capable d'offrir une sensibilité compétitive à des longueurs d'onde supérieures à 1 000 nanomètres. Mais depuis leur découverte, des progrès significatifs ont été réalisés dans des paramètres vitaux du monde réel, tels que l’efficacité quantique.

"Les points quantiques ne sont plus seulement une curiosité", commente Pawel Malinowski du laboratoire de recherche belge Imec, l'un des centres de développement des QD et de leur utilisation dans les capteurs d'images SWIR. "Le marché SWIR commence à s'ouvrir en raison de certains développements technologiques particuliers, dont les QD. Ce sont des absorbeurs à large bande dont la réponse spectrale peut être ajustée via la conception de la pile et d'autres paramètres, et je m'attends à de nouvelles améliorations des performances à mesure que le la technologie mûrit.

La maturité découlera directement de l'utilisation des QD sur le marché et de l'observation par les développeurs des performances des capteurs lorsqu'ils entreront dans des applications réelles – un processus qui commence maintenant à se produire. À partir de là, Malinowski voit trois grands cas d’utilisation prendre forme.

L'un d'entre eux sera le remplacement direct des capteurs InGaAs par des QD dans les applications utilisant actuellement la technologie établie, même si même les développeurs de QD reconnaissent que les nouveaux matériaux ne constituent pas nécessairement le meilleur choix pour les utilisateurs satisfaits des performances des capteurs SWIR existants. Un deuxième scénario est celui où l'objectif est réellement d'améliorer les performances, par exemple dans l'inspection des plaquettes de semi-conducteurs où les pixels les plus petits possibles dans un capteur QD pourraient conduire à une image de plus haute résolution.

"Le troisième cas d'utilisation, et pour moi le plus intéressant, est celui où SWIR n'a jamais été utilisé auparavant mais est désormais à portée de main", explique Malinowski. "Les nouvelles technologies rendront les investissements dans SWIR attractifs pour des utilisations entièrement nouvelles, et ce sont les grands marchés qui s'ouvriront alors."

Pendant ce temps, les développeurs QD d'Imec se concentrent sur les moyens d'optimiser la fabrication et la fiabilité à long terme des capteurs basés sur QD et s'attaquent à un problème qui reste inhérent – ​​du moins pour l'instant – à cette technologie : son utilisation du plomb.

"La teneur en plomb du volume est faible, généralement inférieure à 0,1 % du volume, et je pense que les premiers produits QD apparaîtront là où les utilisateurs pourront le tolérer sans problème", commente Malinowski. "Mais pour certains développeurs et certaines applications, toute piste est tout simplement impossible. Ainsi, de nombreuses recherches sont déjà en cours sur des formulations alternatives, qui pourraient à terme avoir des performances encore meilleures, et sur la manière de rendre les QD entièrement fabuleux. -convivial et réalisable.

Malinowski prévoit que tous ces obstacles seront surmontés à mesure que SWIR commencera à devenir une technologie de choix pour certaines utilisations à grand volume et à mesure que les développeurs exploiteront les possibilités de personnalisation que les nouveaux matériaux de capteur SWIR peuvent offrir.

« Les comparaisons avec InGaAs sont difficiles, car il s'agit d'une technologie existante développée sur plusieurs décennies, et les QD n'ont vu leurs premiers produits commerciaux lancés qu'en 2021 », dit-il. "Mais il s'agit désormais de mettre les QD au travail, d'étudier leur fiabilité et d'optimiser leurs performances. Pour les points quantiques, tous les indicateurs vont dans la bonne direction."