В первой части статьи мы поговорили о том, почему матрицы с квантовыми точками лучше текущих КМОП-матриц. Но, разумеется, в новой технологии не может не быть проблем. В настоящее время основными препятствиями на пути коммерциализации являются стабильность и эффективность квантовых точек.
Однако эта проблема стабильности не помешала коммерциализации таких дисплеев, поскольку защитить используемые в них точки от атмосферы не так уж сложно. Используемые в данный момент квантовые точки в дисплеях поглощают свет от синего светодиода, что позволяет носителям заряда в них рекомбинировать и флуоресцировать на других длинах волн света. Таким образом, эти квантовые точки не нужно подключать непосредственно к схемотехнике матрицы, а это означает, что их можно защитить от окружающей атмосферы «укутыванием» в полимерную пленку с барьерным слоем.
Но в фотодетектировании запечатывание отдельных квантовых точек в полимере невозможно, это убивает весь смысл новой технологии: свободные электроны не должны быть заперты в одной квантовой точке, они должны иметь возможность мигрировать через другие точки к электродам, где они могут быть подсчитаны.
Одним из подходов к разрешению этой миграции при одновременной защите квантовых точек от разрушительного воздействия атмосферы является «закатывание» в полимер всего слоя квантовых точек или вообще всей камеры. Это, вероятно, будет единственным доступным решением на первых порах. Кроме того, сами квантовые точки могут быть специально спроектированы для уменьшения воздействия окисления без создания барьера для электронов, сохраняя при этом стабильность работы. Исследователи работают над достижением этой цели, но это нелегкая задача.
Строение инфракрасной камеры с квантовыми точками.
Еще одно препятствие связано с органическими поверхностно-активными веществами (ПАВ), используемыми сегодня для нанесения слоя квантовых точек на кремниевую пластину. Эти поверхностно-активные вещества действуют как изоляторы, поэтому они мешают электронам перемещаться через пленку квантовых точек к электродам схемы считывания.
На данный момент производители решают эту проблему, нанося квантовые точки в виде тонкой пленки, а затем заменяя длинные молекулы поверхностно-активных веществ более короткими, что позволяет увеличить проводимость. Но это добавляет еще один этап обработки и может сделать точки более восприимчивым к деградации с течением времени, так как процесс замены ПАВ может повредить внешний слой квантовых точек.
Существует также проблема с эффективностью обнаружения фотонов. Из-за небольшого размера и большой площади поверхности у квантовых точек может быть много дефектов в их кристаллических решетках, которые могут вызвать рекомбинирование фотогенерированных зарядов, прежде чем электрон достигнет электрода. Когда это случается, фотон, который первоначально попал в квантовую точку, просто не будет задетектирован, тем самым уменьшая уровень сигнала, который в конечном счете достигнет процессора камеры.
В традиционных фотодетекторах — тех, которые содержат монокристаллические полупроводники — дефекты незначительны и находятся далеко друг от друга, что приводит к КПД выше 50 процентов. Для фотоприемников на основе квантовых точек эффективность обычно составляет менее 20%. Таким образом, несмотря на то, что сами квантовые точки поглощают свет лучше, чем кремний, общая эффективность фотодетекторов на основе точек пока не может конкурировать с современными КМОП-матрицами.
Поскольку производители используют химические процессы для создания квантовых точек, их размеры в результате несколько отличаются. А поскольку оптические и электронные свойства точек определяются их размерами, любое отклонение приводит к изменению диапазона поглощаемого света. Различия в исходных химических веществах, а также в синтезе, очистке и хранении, могут привести к значительным различиям в размерах между различными партиями квантовых точек.
Примеры применения ИК-камер с квантовыми точками.
Производителям придется тщательно контролировать весь процесс производства, чтобы избежать этого. В итоге изначально на рынке камер с квантовыми точками будут присутствовать лишь крупные игроки, которые смогли отладить производство, а более мелкие производители будут вынуждены ждать дальнейшего отлаживания процесса создания фотоматриц с точками.
Несмотря на эти проблемы, компании уже начали коммерциализацию камер на основе квантовых точек, в основном для съемки в ИК диапазоне, где существующие камеры не могут дать достаточно четких снимков. К примеру, компания SWIR Vision Systems стала первопроходцами со своей камерой Acuros.
В ней используются квантовые точки из сульфида свинца, которые поглощают видимый и инфракрасный свет с длиной волны до 1550 нм. Матрица в этой камере в настоящее время имеет среднюю эффективность 15% для инфракрасных длин волн, что означает, что 15 процентов фотонов, попадающих на детектор, в конечном итоге становятся измеримым сигналом. Это значительно ниже, чем эффективность существующей технологии производства дисплеев с квантовыми точками из арсенида индия-галлия, которая может достигать 80%. Но даже с такой не самой высокой эффективностью и 15-микронными пикселями камера Acuros имеет более высокое разрешение, чем большинство существующих инфракрасных камер.
Что касается рынка потребительских камер, в 2017 году издание TechCrunch сообщило, что Apple приобрела компанию InVisage, занимающуюся созданием миниатюрных камер с квантовыми точками для использования в смартфонах. Разумеется, вряд ли такая камера будет в iPhone 12, но вот в iPhone 16, а может даже 15 — вполне.
Возможно, Apple больше интересуют возможности камер на базе квантовых точек в инфракрасной области спектра, чем в видимом свете. Начиная с iPhone X, компания использует инфракрасные датчики для своей технологии распознавания лиц, и более дешевые и компактные чипы с более высоким разрешением вполне могут заинтересовать Apple.
Apple уже использует ИК-датчики для работы Face ID, так что компанию могут заинтересовать квантовые точки.
Другие компании также активно решают проблемы со стабильностью и эффективностью фотодатчиков с квантовыми точками, и постоянно расширяют границы применимости с точки зрения длины волны и чувствительности. Компании BAE Systems, Brimrose, Episensors и Voxtel являются одними из тех, кто работает над коммерциализацией технологии квантовых точек в камерах. Исследовательские группы по всему миру также активно участвуют в разработках сенсоров и камер на основе точек, включая команды Массачусетского технологического института, Чикагского университета, Университета Торонто, Сорбоннского университета и Городского университета Гонконга.
Поэтому вполне может быть, что в течение пяти лет в наших смартфонах появятся камеры на основе квантовых точек, которые позволят нам делать лучшие фотографии и видео в условиях низкой освещенности, а также дадут нам усовершенствованные технологии распознавания лиц и возможность снимать в инфракрасном спектре. И, что немаловажно, новые фотодатчики будут меньше, компактнее и дешевле современных.
