В начале 2000-х годов коммерциализация КМОП-матриц привела к появлению небольших и дешевых цифровых камер. Теперь даже не самые дорогие смартфоны имеют по паре-тройке камер, и все, кроме профессиональных фотографов, перестали носить отдельные фотоаппараты, решив, что фотосенсоры в мобильных телефонах делают достаточно неплохие снимки.
Но так ли это? На ярком солнце изображения часто темные в тени. При слабом освещении изображения становятся зернистыми и нечеткими. И цвета временами не совсем такие же, как на профессиональных камерах. И это только проблемы с записью видимого света. Мало кто отказался бы от инфракрасной камеры в своем смартфоне, чтобы получить ночное видение — только вот такие сенсоры дают уж очень некачественную картинку.
Настало время для очередной революции в технологиях фотосъемки. Место кремниевой КМОП-матрицы могут занять так называемые квантовые точки, наноразмерные частицы полупроводникового материала, которые работают абсолютно по-другому.
Когда полупроводниковый материал поглощает свет, полученная им энергия освобождает электрон от химической связи, позволяя последнему свободно перемещаться. Схожий процесс происходит и в квантовой точке, но есть одно отличие: хотя электрон действительно высвобождается, он не может так же легко перемещаться: он ограничивается краями квантовой точки, имеющей размеры несколько нанометров в диаметре. Этот эффект называется квантовым ограничением, и он придает электрону некоторые особые свойства.
Как-то так выглядит КМОП-матрица в камере вашего смартфона.
Наиболее полезным свойством для визуализации является то, что свет, поглощаемый квантовой точкой, можно перестраивать — то есть цвет можно непрерывно регулировать практически до любой длины волны в видимом и инфракрасном спектре, просто выбирая правильный материал и правильный размер точек. Эта перестройка работает и в обратном направлении: можно точно выбрать цвет света, испускаемого при рекомбинации электронов. Именно эта перестраиваемость светового излучения в последние годы вдохновила производителей телевизоров на использование квантовых точек для создания так называемых QLED-матриц, о которых мы уже писали.
Помимо настраиваемости, квантовые точки имеют еще несколько приятных особенностей. Их малый размер позволяет включать их в печатные чернила, что серьезно упрощает производственный процесс. Также квантовые точки поглощают свет более эффективно, чем кремний, что позволит производителям камер создавать более тонкие фотосенсоры. Ну и последний немаловажный факт — квантовый точки чувствительны в широком динамическом диапазоне, от очень низкой освещенности до очень высокой яркости.
Прежде чем мы расскажем вам, как будут работать камеры с квантовыми точками — и когда они, вероятно, станут коммерчески доступными — мы поговорим о КМОП-матрицах, которые используются в современных камерах. Очевидно, что за последние пару десятилетий в этой технологии был достигнут значительный прогресс, позволивший создавать дешевые миниатюрные камеры, помещающиеся в смартфонах. Но способ преобразования света в изображение в основном остался неизменным.
В обычной камере, такой как в вашем смартфоне, свет проходит через серию линз и мозаику из красного, зеленого и синего фильтров, после чего поглощается одним из пикселей фотосенсора кремниевой КМОП-матрицы. Фильтры определяют, какой цвет будет записывать каждый пиксель.
Когда пиксель поглощает фотон, полученная им энергия освобождает электрон от химической связи, и последний перемещается к электроду на краю пикселя, попадая в конденсатор. Специальная схема считывания преобразует заряд конденсаторов всех пикселей в ток, и его уровень определяет яркость каждого пикселя фотосенсора.
За десятилетия процесс производства как кремниевых КМОП-матриц, так и схем считывания, был неплохо отлажен. Он включает ряд этапов фотолитографии, травления и роста кристаллов. В итоге производство оказывается достаточно дешевым и простым, однако созданные таким образом кремниевые фотосенсоры имеют некоторые недостатки.
Так, самый популярный способ фотолитографии — это расположение лазера над кремниевой пластиной. Однако при таком способе производства проводящий слой в кремнии оказывается над фотосенсором и блокирует часть света, потенциально ухудшая фотографии, сделанные при недостаточной освещенности. Второй минус — кремний поглощает только волны длиной менее 1 микрометра, поэтому его пределом является видимый свет и ближайший инфракрасный диапазон.
Хорошо видно, что типичная КМОП-матрица (слева) отражает часть света, а матрица на квантовых точках — нет.
Теперь давайте посмотрим, как квантовые точки могут исправить эти недостатки. Как мы уже упоминали ранее, точно подбирая материал (а, значит, и размер) квантовых точек можно выбрать, какие именно длины волн света они поглощают. Например, большие квантовые точки около 10 нанометров в диаметре поглощают ультрафиолет, синий и зеленый свет, а излучают красный свет. Чем меньше размер точки, тем больше ее поглощение и излучение смещаются в сторону синей части спектра. Например, квантовые точки из селенида кадмия диаметром около 3 нм поглощают ультрафиолет и синий свет, а излучают зеленый свет.
Принцип работы фотосенсоров на основе квантовых точек похож на таковой в современных КМОП-матрицах. Когда квантовая точка в пикселе поглощает фотон, электрон становится свободным. Края квантовой точки ограничивают перемещение электрона, однако, если другая квантовая точка находится достаточно близко, свободный электрон может «перепрыгнуть» в нее, и, перескакивая так дальше, может достичь электрода, где и будет посчитан схемой считывания пикселя.
При этом схемы считывания в случае с фотосенсорами на основе квантовых точек производятся так же, как и для современных КМОП-матриц — они изготавливаются непосредственно на кремниевой пластине. Да, добавление на нее квантовых точек создает еще один этап производства, но он чрезвычайно прост: как мы уже писали выше, их можно добавить в раствор чернил и просто напечатать поверх пластины. При этом печать квантовых точек гораздо проще и дешевле, чем современное фотолитье, требующее мощных лазеров.
У квантовых точек есть еще одно преимущество. Поскольку они поглощают свет лучше, чем кремний, для того, чтобы собрать все входящие фотоны, вполне достаточно нанести их тонким слоем поверх схемы считывания, то есть поглощающий слой не должен быть толстым, как в стандартных КМОП-матрицах. В итоге тонкий слой квантовых точек оказывается куде более чувствительным, позволяя получать лучшее качество изображения как при низкой освещенности, так и при высокой яркости.
И, как любил поговаривать Стив Джобс, «есть еще кое-что». Легкая настраиваемость квантовых точек может начать эру доступных фотографий в инфракрасном диапазоне. Современные инфракрасные камеры функционируют так же, как камеры, снимающие в видимом свете — отличаются только материалы, используемые для поглощения света.
Цветные фото получены обычной камерой с КМОП-матрицей, а черно-белые — это визуализация изображения с фотосенсора с квантовыми точками.
Традиционные инфракрасные камеры используют полупроводники с небольшой шириной запрещенной зоны, такие как селенид свинца или арсенид галлия-индия, для поглощения света с большей длиной волны, чем у видимого. Пиксельные фотосенсоры, изготовленные из этих полупроводников, должны производиться отдельно от кремниевых КМОП-матриц, используемых для измерения тока и генерации видимого изображения. И уже последним шагом нужно объединить КМОП-матрицу с ИК-полупроводником, используя соединение металл-металл.
Этот трудоемкий процесс, также известный как гибридизация, включает в себя нанесение небольшого количества легкоплавкого индия на каждый пиксель как ИК-полупроводника, так и КМОП-матрицы. Затем производственное оборудование должно выровнять эти пластины и прижать друг к другу, после чего ненадолго расплавить индий, чтобы создать электрические соединения. Сложность этого процесса ограничивает возможные размеры фотосенсора и пикселей, что негативно влияет на итоговое разрешение матрицы. К тому же гибридизация выполняется по одному чипу камеры за раз, поэтому она является медленным и дорогостоящим процессом.
Квантовые точки, чувствительные к инфракрасному свету, могут быть синтезированы с использованием недорогих и масштабных методов химической обработки. Как и в случае с их кузенами, работающими в видимом свете, поглощающие инфракрасное излучение квантовые точки можно наносить на кремниевую пластину с помощью все тех же чернил, то есть трудоемкая гибридизация больше не нужна.
Устранение последней означает, что размер пикселя теперь может быть меньше 15 мкм — именно столько нужно для одного индиевого контакта — что позволяет использовать большее количество пикселей в меньшей области, а, значит, и лучшее итоговое разрешение матрицы. К тому же меньший фотосенсор означает и меньшие линзы, так что в итоге квантовые точки могут позволить создавать куда более дешевые инфракрасные камеры.
В следующей статье мы поговорим про проблемы фотосенсоров с квантовыми точками, а также про способы налаживания производства камер нового типа.
