Прощай, оптические сенсоры с КМОП матрицей, привет фотодатчики с квантовыми точками

В начале 2000-х годов коммерциализация CMOS-датчиков привела к появлению небольших и недорогих цифровых фотоаппаратов и видеокамер. Сегодня даже в недорогих смартфонах есть двойные и тройные камеры, и все, кроме профессиональных фотографов, перестали носить с собой отдельные камеры и решили, что фотосенсоры в мобильных телефонах делают очень хорошие снимки.

Эти фотографии действительно так хороши? При ярком солнечном свете получаются слишком темные изображения в тенях. При слабом освещении снимки становятся зернистыми и размытыми. Иногда цвета не такие, как у профессиональных фотоаппаратов. И это только проблемы в видимом свете. Вряд ли кто-то откажется от тепловизора в смартфоне для ночного видения, но датчики такого типа дают очень плохое изображение.

Очевидно, что настало время для новой революции в технологиях мобильной обработки изображений. Похоже, что место КМОП-матриц могут занять матрицы из квантовых точек — маленькие частицы полупроводникового материала с нанометровыми размерами, которые работают совершенно по-другому.

Когда полупроводниковый материал поглощает свет, выделяемая им энергия освобождает электрон от химической связи и позволяет ему свободно перемещаться. Процесс в квантовой точке аналогичен, но есть одно существенное отличие: электрон также высвобождается там, но его движение ограничено внутри самой квантовой точки, которая составляет всего несколько нанометров в диаметре. Этот эффект называется квантовым ограничением, которое придает электрону некоторые особые свойства.

Самым полезным свойством с точки зрения визуализации является то, что можно точно выбрать, какой цвет будет поглощать данную квантовую точку. Поглощенный свет можно регулировать в очень широком диапазоне длин волн света — от инфракрасного до ультрафиолетового спектра. Это достигается относительно легко — путем выбора материала и размера квантовой точки. Этот тип настройки также работает в противоположном направлении — можно выбрать точный свет, излучаемый данной квантовой точкой. Именно эта способность тонкой настройки излучаемого света в последние годы вдохновила производителей телевизоров на использование квантовых точек для создания матриц QLED, о которых мы уже говорили.

Помимо точной настройки поглощенного или излучаемого света, квантовые точки обладают рядом других приятных особенностей. Их небольшой размер позволяет им быть основным компонентом специальных чернил для печати различных матриц, что значительно упрощает производственный процесс. И еще одно: квантовые точки поглощают свет намного эффективнее, чем кремний, и поэтому стало возможным создавать более тонкие оптические сенсоры. И последнее, но не менее важное: чувствительность квантовых точек находится в очень широком динамическом диапазоне — от очень низкой яркости до очень высокой яркости объектов в сцене.

Прежде чем мы более подробно рассмотрим фотодатчики с квантовыми точками и когда они начнут появляться на рынке, давайте взглянем на матрицы CMOS, используемые в современных камерах, видеокамерах и смартфонах. Очевидно, что за последние двадцать лет в этой области был достигнут значительный прогресс, который позволил создавать дешевые и миниатюрные камеры для смартфонов. Но способ преобразования света в изображение в общих чертах остался неизменным.

В цифровой камере, как и в камере смартфона, свет проходит через серию оптических линз в объективе и через мозаику из красных, зеленых и синих фильтров, а затем поглощается пикселями кремниевой CMOS-матрицы. Фильтры определяют, какой свет будет поглощать каждый пиксель.

Когда определенная точка в матрице поглощает фотон, полученная от него энергия высвобождает электрон из химической связи, который проходит через электрод и попадает в конденсатор пикселя. Специальная схема регистрирует уровень заряда конденсаторов всех пикселей и преобразует его в пропорциональное напряжение, которое показывает уровень яркости каждого пикселя оптического датчика.

За последние почти два десятилетия процесс производства кремниевых КМОП-матриц, а также схем считывания заряда был хорошо развит. Он включает в себя ряд этапов фотолитографии, травления и роста кристаллов. Со временем производство стало дешевым и достаточно простым, но созданные таким образом кремниевые оптические датчики имеют некоторые недостатки.

В наиболее популярном методе фотолитографии лазер располагается прямо над кремниевой пластиной. Однако в этом методе изготовления проводящий слой в кремнии располагается над пикселем и блокирует часть света, тем самым ухудшая изображения, сделанные при слабом освещении на сцене. Второй недостаток заключается в том, что кремний поглощает только излучение с длиной волны менее 1 микрометра, а его предел — видимый свет и ближний инфракрасный диапазон.

Посмотрим, как квантовые точки могут устранить эти недостатки. Как мы уже говорили выше, тщательно выбирая размер и материал квантовой точки, можно выбрать излучение, с длиной волны которого она поглощает. Например, квантовые точки диаметром около 10 нанометров поглощают ультрафиолетовый, синий и зеленый свет и излучают красный свет. Чем меньше размер квантовой точки, тем больше ее спектр поглощения и излучения смещается в синюю часть спектра. Например, квантовые точки селенида кадмия диаметром около 3 нанометров поглощают ультрафиолетовый и синий свет и излучают зеленый свет.

Принцип работы оптических сенсоров с квантовыми точками аналогичен принципу работы современных КМОП-матриц. Когда квантовая точка поглощает фотон, его энергия высвобождает электрон, а его движение ограничивается размером квантовой точки. Но если рядом расположена другая квантовая точка, свободный электрон переходит в нее и в конечном итоге достигает электрода схемы регистрации света, который, однако, находится вне матрицы и не мешает проникновению световых лучей в квантовые точки.

Цепи для регистрации уровней света, падающего на квантовые точки, производятся аналогично CMOS-матрицам — они размещаются непосредственно на кремниевой пластине. Добавление к нему квантовых точек добавляет еще один дополнительный производственный процесс, но это довольно легко и просто. Как мы уже говорили, они могут быть в виде чернил, которые наносятся путем печати на поверхность пластины. Кроме того, печать квантовых точек намного проще и дешевле, чем современные фотопроцессы, которые требуют использования мощные лазеры.

У квантовых точек есть еще одно преимущество. Поскольку они поглощают свет намного лучше, чем кремний, для поглощения всех фотонов, прошедших через линзу, достаточно нанести очень тонкий слой квантовых точек на схему считывания пикселей. То есть этот слой не должен быть таким толстым, как у CMOS-матриц. В конечном итоге тонкий слой квантовых точек значительно более чувствителен и позволяет улучшить качество захваченного материала как при слабом освещении, так и при очень высокой яркости.

И как говорил Стив Джобс: «И еще кое-что». Простая настройка квантовых точек позволяет запускать дешевые и качественные фото и видео в инфракрасном диапазоне. Современные инфракрасные камеры работают так же, как и те, что снимают в видимом диапазоне спектра, только вещества, используемые для поглощения света, отличаются.

В традиционных инфракрасных фотодатчиках используются полупроводники с малой полосой пропускания, такие как селенид свинца или арсенид галлия-индия, которые поглощают длинноволновый свет. Оптические сенсоры этих веществ должны изготавливаться отдельно от кремниевых КМОП-матриц по совершенно другим технологиям. Наконец, необходимо подключить КМОП-матрицу к полупроводнику для инфракрасного света, используя соединение металл-металл.

Это сложный и сложный процесс, называемый гибридизацией, который включает нанесение небольшого количества плавкого индия на каждый пиксель как инфракрасного полупроводника, так и матрицы КМОП. Затем робот сборочной линии выравнивает эти две пластины, прижимает их друг к другу и на короткое время плавит индий для образования электрических соединений. Это сложный и неточный процесс, который ограничивает размер фотосенсора и сильно отрицательно влияет на его разрешение. Кроме того, гибридизация позволяет производить только один из этих фотосенсоров за раз, что делает процесс медленным и дорогим.

Квантовые точки, чувствительные к инфракрасному свету, можно наносить чернилами, и сложная гибридизация больше не требуется. Это означает, что размер пикселя может быть менее 15 микрон (что необходимо для контакта с индием в КМОП-матрицах), и это позволяет иметь намного больше пикселей на меньшей площади, что означает очень хорошее разрешение инфракрасная матрица. А меньший датчик требует меньших оптических линз, поэтому в конечном итоге квантовые точки позволят создавать очень дешевые инфракрасные камеры.

В следующий раз мы сосредоточимся на проблемах фотодатчиков на квантовых точках и производстве фотоаппаратов и фотоаппаратов нового типа.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
FotoStar-Pro - все  профессионально и качественно..