量子点红外探测成像技术发展现状

2024-04-01

量子点红外成像技术概念
量子点(Quantum dots,QDs)是具有尺寸可调特征的1-20nm的半导体纳米晶体,在可见光和红外波长范围内具有较强的光吸收和明亮的窄带发射。
胶体量子点(Colloidal quantum dot,CQDs),量子限域效应明显,液相加工工艺使得其可以与硅基读出电路进行直接片上耦合,红外成像器件通过集成探测红外光子的红外探测器和激发可见光子的发光二极管,利用器件内光-电-光的线性转换过程,避免了读出电路和复杂的电信号处理过程,能够直接可视化红外图像。
量子点的特性可以通过颗粒大小、材料和成分进行调整。量子点材料包括:Cd(镉)基、In(铟)基、PbS(硫化铅)、Perovskite(钙钛矿),以及新兴的CuInS2(硫铟铜)、InAs(砷化铟)、ZnTeSe(硒镉汞)。它们具有不同的带隙,因此具有不同的吸收和发射光谱的能力。
在性能与InGaAs芯片相当的前提下,基于量子点的成像芯片的成本不到其1%,有望实现短波红外成像在消费级领域的应用。
量子点红外成像技术发展历史
➢光电导效应发现于1873年的海底电缆绝缘层实验。1917年,第一个红外光电导探测器被研制出来。
➢1981年和1983年,前苏联科学家Alexei Ekimov和美国科学家Louis Brus分别独立发现了半导体纳米颗粒的量子尺寸效应。
➢量子点在光电探测中的首次尝试是在 1992 年,当时胶体量子点被视为绝缘胶体,作为一种感光剂应用于电子照相技术中。
➢1993年,美国麻省理工学院Moungi G. Bawendi教授带领的研究小组终于取得了重大突破。他们利用热注入合成法,成功合成了单分散纳米粒子,为量子点的大规模应用开发打开了大门。
➢1998 年,量子点红外探测器(QDIPs)首次被论证。
➢2003年,“固态配体交换”的方法被提出,为胶体量子点在光电探测领域的应用提供了可能。
➢2005年,多伦多大学Edward H. Sargent教授发表了第一篇短波红外胶体量子点混合光探测器。2009年,西门子和奥地利林茨大学合作研发出PbS胶体量子点探测器。至此开始 PbS CQD 探测器的研究在近十年的时间内成为该研究领域的新宠。
➢2017年,西班牙光子中心的Stijn Goossens课题组通过使用石墨烯及PbS量子点晶体管结构,完成了近红外焦平面阵列制备,阵列规模388×288,像元间距35µm。
➢2022年,华中科技大学报道了一种基于PbS量子点的近红外焦平面阵列,并展示了940nm光照下的成像效果。
近年来具有优异光电性能的量子点材料在硅基探测器的集成中已经有了一定的成果,为硅基探测器性能的提升提供了新的思路。虽然量子点增强硅基探测器已经收获较好的效果,但仍存在一些机遇与挑战例如专用材料缺乏,存在集成工艺问题以及需要开发与之匹配的先进的成像算法等。
量子点红外技术发展现状
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中美是量子点红外成像领域的主要目标市场国
红外成像技术应用非常广泛,而量子点红外成像将极大地扩展其应用可能,近年来呈现快速发展的态势。
根据相关专利数据(申请年2005以后),将量子点应用于红外探测的技术从2005开始兴起,最早开始布局且为该领域TOP1的申请人InVisage公司,随后呈现较为稳定的增长趋势;2011年左右数量激增,在2019-2020年左右,部分欧美相关技术企业已经完成专利布局,专利申请数量略有下降。
随着中国加入该项技术的投入和研究中,该领域的中国申请人近几年的相关专利布局量整体呈现较为明显的增长,说明该领域的主要申请人仍十分注重该领域相关技术的研发和专利布局。
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图1:申请人排名分析
该领域中,国外申请人拥有较多早期专利申请,相对国内具备一定的领先能力。
该领域TOP10申请人中,国外申请人占据8席,其相关专利布局时间较早且近几年呈现较为稳定的一定专利申请量;国内主要申请人在该领域的布局整体较晚,且主要在2022年左右开始激增,说明国内主要申请人近年来对该领域的重视程度的提高以及相关研发产出的增加。
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图2:该领域专利申请与授权趋势
早期美国市场的相关专利布局量具有绝对优势,2011-2012年左右,其相关科研专利数量较多,2017年左右开始更多商业化布局,2018-2019年左右,欧洲进入相关技术专利的申请高峰,而在2022-2023年左右,中国市场的相关专利布局量实现反超,不过目前中国相关的专利也主要由高校或科研机构申请,企业申请较少,尚未形成产业化。
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图3:主要国家/地域专利年度申请趋势
中美是量子点红外成像技术的主要市场国家/地域,其次是欧洲。
针对相关专利数据(公开年2005以后)扩展同族后,进行统计分析发现,美国、中国的相关专利布局量分居前两位,明显多于其他国家/地域的布局量,是该领域的主要目标市场。其次是欧洲的国家/地域。
一方面是因为上述国家/地域是红外成像领域较大的目标市场,另一方面上述国家的知识产权保护力度较大,为了限制竞争对手的发展,同时为了保护其自身相关技术不被竞争对手仿制,相关申请人重点在上述国家/地域进行相关专利申请的布局。
另外,WO、EP的专利数量排名第三、第四,说明量子点红外成像技术主要以专利合作条约的国际申请、欧洲专利申请形式进入多国/地域布局。
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图4:目标市场国/地区排名
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数据处理、图像处理分类集中度高
量子点红外探测成像本质上基于半导体领域,故大部分专利主要在H01L、H04N、G01J、B82Y等分类下。
H01L (半导体器件)分类下相关专利量近年来增长明显,包括对红外辐射进行电能控制的半导体器件(H01L31)、由在一个共用衬底或其上形成的多个半导体器件(H01L27)、使用有机材料作有源部分的固态器件(H01L51)等。
国内外IPC分布情况基本相同。只是国外还有部分专利分入了电视零部件(H04N)中。
量子点红外技术地位情况
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美欧相关技术地位相对领先
量子点红外成像领域中,美欧中是主要的技术输出国。根据全球量子点红外成像领域相关专利申请(公开年2005以后)的同族的优先权的统计分析结果,美欧中是该领域的主要原创技术输出国。其中,美国相关技术的出现明显早于欧洲和中国,欧洲略早于中国。
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图5:计算机视觉领域技术来源国分布情况
量子点红外成像领域的专利价值高于相关行业的平均专利水平。从行业基准来评估量子点红外成像领域的相对创新能力,该领域的专利(已经过同族去重)明显高于行业基准的平均水平2-6倍(C09K11发光材料除外)。
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中国产业推动政策密集发布
2015年以来,中国密集发布一系列产业推动政策。(通过网络公开数据整理),量子点红外探测成像技术发展现状 (https://ic.work/) 传感器 第6张
量子点红外技术产业化情况
计算机视觉产业链上游垄断现象明显,中下游是多数企业布局和发展的重点。
量子点红外成像技术中大部分企业集中在中游(红外探测器/红外成像仪等),目前,上游基础层主要由国外巨头把控,主要涉及>
晶圆及辅料(台积电、中芯国际、华虹半导体等);,②量子点材料(Nanosys Inc.,NN-Labs LLC,Ocean NanoTech,Quantum Materials Corporation等);,中游技术层,部分国内技术能力不断凸显,传统红外成像的代表行公司有美国的Raytheon、FLIR,法国的Sofradir、以色列的SCD等。国内参与者主要包括高德红外、大立科技、睿创微纳、海康威视。随着国内厂商技术突破,近年来市场份额有所提升。
而量子点红外成像的参与者主要有InVisage, ST Microelectronics,SWIR Vision Systems,Emberion以及世界各地的学术团体,包括佛罗里达大学,西班牙光电研究所,华中科技大学,北京理工大学等也都在深度参与量子点红外成像相关技术的研究。
下游应用层主要分特种和民用两大市场,特种客户多为防务整机或者二级集成商,主要应用与枪瞄、红外夜视仪、红外望远镜、导弹导引头等场景,民用领域红外应用场景非常分散,如安防监控,工业监控等。
随着技术发展,红外成像技术有望降低成本,实现商业化,覆盖消费电子等更多民用领域。
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代表企业 InVisage
成立于2006年,总部位于美国加利福尼亚州,并在台积电进行材料加工,是一家半导体制造厂商,主要生产基于量子点的图像传感器。
InVisage不仅研发了该技术,还研发了用于实现该技术的物理材料。过程和传统 CMOS 是一样的,仅仅是增加了覆盖量子薄膜这一步,因此,量子薄膜传感器可以将相机的性能提高 5 倍。
非常注重专利布局,公司已经拥有超过 100 项专利技术。
于2017年7月被苹果公司收购。不过苹果一直对量子点技术的相关计划保持沉默。但2023年3月7日美国国家专利局公布的苹果公司的一篇与屏下生物识别相关的专利中,再次出现了短波红外内容,有可能与量子点技术相关,值得持续关注。
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代表企业 ST Microelectronics
意法半导体(ST)集团于1987年6月成立,是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。意法半导体是世界最大的半导体公司之一。
2021年,在美国旧金山举办的IEEE国际电子器件会议(IEDM)上,ST Microelectronics详细介绍了其有望商业化的量子点短波红外(SWIR)图像传感器,但目前尚未在公司官网发布相关产品。
意法半导体的技术基于硫化铅量子点薄膜。在其300 mm晶圆厂,利用溶液制作,通过沉积步骤整合在CMOS半导体工艺中。
ST Microelectronics涉及到胶体量子点红外成像方面的专利共9件,构思相同,实质上是1个发明构思下的多地区专利布局。
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代表企业 SWIR Vision Systems
SWIR Vision Systems成立于2018年,是三角研究所(RTI International)的分支机构,于2021年10月完成500万美元A轮融资。专注于开发胶体量子点图像传感器。
基于CMOS的尖端Acuros CQD图像传感器SWIR Vision Systems开发的CQD传感器采用单片集成方案,其基于PbS胶体量子点的图像传感器采用成熟的低成本半导体沉积技术,直接在CMOS读出集成电路(ROIC)上制造而成。
该工艺不需要外延生长或外来衬底材料,并且可以很容易地扩展到晶圆级制造。该方案还采用了低成本、溶液处理的胶体量子点,以形成在短波红外(SWIR)和可见光谱波段都敏感的sub-2 μm间距的p-n光电二极管阵列。其产品在其官网可查。
基于独特的量子点光电二极管传感器设计,SWIR Vision Systems专利保护的传感器解决方案提供了世界上最高分辨率的商用SWIR相机。其产品已经在全球最大的半导体芯片制造厂用于检验大批量生产的半导体芯片。
专利布局较少,偏向应用。
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代表企业 Emberion
Emberion成立于2016年,是拆分自诺基亚的一家创新厂商,总部位于芬兰埃斯波,于2022年初完成600万欧元融资扩大产能。
其探测器开发和制造中心位于英国剑桥。专注于开发和供应覆盖可见光至短波红外波段的探测器和相机。
Emberion光电探测器通过在CMOS读出电路上集成纳米材料(如胶体量子点和石墨烯)制造而成。通过调整纳米材料可以将探测器的敏感范围扩展到短波红外波段。此外,还刚刚推出了VS20 VIS-SWIR相机。
较注重专利布局,涉及胶体量子点红外成像技术的专利申请51件。
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代表企业 Qurv Technologies 
2020年末,西班牙巴塞罗那光子科学研究所(The Institute of Photonic Sciences, ICFO)成立了一家独立的公司Qurv Technologies。
Qurv的石墨烯/量子点图像传感器平台技术可实现从可见光到短波红外(SWIR)光范围内的感知,并可兼容当前的CMOS低成本、高制造性工艺。
Qurv的“即插即用”技术旨在将先进的机器视觉功能引入当前SWIR传感器无法进入的市场。
拥有超过10个同族专利组合。
量子点红外技术动态详览
(专利技术)
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量子点红外技术动态详览
(非专利技术及新闻资讯)
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