Сбогом оптични сензори с CMOS матрици, здравейте фотосензори с квантови точки – първа част

Оригиналът е на Peter Palomaki и Sean Keuleyan

2
2313

В началото на 2000-те години комерсиализацията на CMOS сензорите доведе до появата на малки и евтини цифрови фотоапарати и камери. Днес дори и смартфоните от невисок клас имат двойни и тройни камери и всички, освен професионалните фотографи, спряха да носят отделни фотоапарати, и решиха, че фотосензорите в мобилните телефони правят много добри снимки.

Наистина ли са толкова добри тези снимки? При ярка слънчева светлина се получават прекалено тъмни изображения в сенките. При слаба осветеност кадрите стават зърнисти и неясни. Понякога и цветовете съвсем не са такива, като при професионалните фотоапарати. И това са само проблемите при видимата светлина. Едва ли някой би се отказал да има термична камера в своя смартфон, за да получи нощно виждане, само че сензорите от този вид дават съвсем некачествено изображение.

Очевидно е, че е настъпило време за поредната революция в технологиите за за правене на снимки с помощта на мобилни устройства. По всичко личи, че мястото на CMOS матриците може да бъде заето от матриците с квантови точки – малки частици полупроводников материал с нанометрови размери, които работят по съвсем друг начин.

Когато полупроводниковият материал поглъща светлина, получената от нея енергия освобождава електрон от химичната връзка и му дава възможност свободно да се движи. Подобен е и процесът в квантовата точка, но има една съществена разлика: и там се освобождава електрон, но неговото движение е ограничено в рамките на самата квантова точка, която има диаметър от само няколко нанометра. Този ефект се нарича квантово ограничение, което дава на електрона някои по-особени свойства.

Най-полезното свойство от гледна точка на визуализацията, е че е възможно да се избира какъв точно цвят да поглъща дадена квантова точка. Поглъщаната светлина може да бъде регулирана в много широки граници на дължината на светлинната вълна – от инфрачервения до ултравиолетовия спектър. Това се постига сравнително лесно – чрез подбор на материала и размера на квантовата точка. Този вид настройка действа и в обратна посока – възможно е съвсем точния избор на на излъчваната от дадена квантова точка светлина. Именно тази възможност за тънка настройка на излъчваната светлина през последните години вдъхнови производителите на телевизори да използват квантови точки за създаването на QLED матрици, за което вече говорихме.

Освен фината настройка на поглъщаната или излъчваната светлина, квантовите точки имат и редица други приятни особености. Техният малък размер дава възможност те да бъдат основната съставка на специални мастила, с помощта на които да се разпечатват различните матрици, което сериозно опростява производствения процес. И още нещо, квантовите точки много по-ефективно поглъщат светлината в сравнение със силиция и по този начин стана възможно създаването на по-тънки оптични сензори. И последно, но не по-малко важно, чувствителността на квантовите точки е в много широк динамичен диапазон – от много ниска осветеност до много висока яркост на обектите в сцената.

Преди да се спрем по-подробно на фотосензорите с квантови точки и на това, кога ще започнат да се появяват на пазара, нека да обърнем внимание на CMOS матриците, които се използват в днешните фотоапарати, камери и смартфони. Очевидно е, че за последните двадесетина години в тази област е постигнат значителен прогрес, който даде възможност за създаването на евтини и миниатюрни камери за смартфони. Но начинът за преобразуване на светлината в изображение в основни линии остана непроменен.

В цифровия фотоапарат, както и в камерата на смартфона, светлината преминава чрез поредица от оптични лещи в обектива и през мозайка от червени, зелени и сини филтри, след което се поглъща от пикселите на силициевата CMOS матрица. Филтрите определят каква светлина ще поглъща всеки пиксел.

Когато конкретна точка от матрицата поглъща фотон, получената от него енергия освобождава електрон от химичната връзка, който преминава по електрод и попада в кондензатора на пиксела. Специална схема регистрира нивото на заряда на кондензаторите на всички пиксели и го превръща в пропорционално напрежение, което показва нивото на яркост на всеки пиксел на оптичния сензор.

През изминалите почти две десетилетия процесът на производство на силициевите CMOS матрици, както и на схемите за прочитане на зарядите, бе добре отработен. Той включва редица етапи на фотолитография, ецване и ръст на кристали. В крайна сметка производството стана достатъчно евтино и опростено, но създадените по този начин силициеви оптични сензори имат някои недостатъци.

При най-популярния начин на фотолитография лазерът се разполага точно над силициевата пластина. Но при този начин на производство провеждащият ток слой в силиция застава над пиксела и блокира част от светлината, като по този начин влошава снимките, направени при слаба осветеност на сцената. Вторият минус е, че силицият поглъща само излъчванията с дължина на вълната под 1 микрометър и неговият предел са видимата светлина и близкият инфрачервен диапазон.

Нека да видим по какъв начин квантовите точки могат да отстранят тези недостатъци. Както казахме по-горе, чрез точното подбиране размера и материала на квантовата точка може да се избере излъчвания с каква дължина на вълната тя да поглъща. Така например, квантовите точки с диаметър около 10 нанометра поглъщат ултравиолетова, синя и зелена светлина, а излъчват червена. Колкото е по-малък размерът на квантовата точка, толкова нейният спектър на поглъщане и излъчване на светлина се измества към синята част на спектъра. Така например, квантовите точки от кадмиев селенид с диаметър около 3 нанометра поглъщат ултравиолетова и синя светлина, а излъчват зелена светлина.

Принципът на работа на оптичните сензори с квантови точки прилича на тази в съвременните CMOS матрици. Когато дадена квантова точка погълне фотон, неговата енергия освобождава електрон, като неговото движение е ограничено в рамките на размерите на квантовата точка. Но ако друга квантова точка е разположена наблизо, свободният електрон преминава в нея и в крайна сметка достига електрода на схемата за регистриране на светлината, който обаче се намира извън пределите на матрицата и не пречи на проникването на светлинните лъчи до квантовите точки.

Самите схеми за регистриране на нивата на попадналата върху квантовите точки светлина се произвеждат по подобен начин като при CMOS матриците – те се поставят директно на силициевата пластина. Добавянето на квантови точки върху нея добавя и още един допълнителен производствен процес, но той е съвсем лесен и опростен. Както вече казахме, те могат да бъдат във вид на мастило, което се нанася чрез печатане върху повърхността на пластината, При това, разпечатването на квантовите точки е много по-лесно и евтино в сравнение със съвременните фото процеси, при които се изисква използването на мощни лазери.

Квантовите точки имат и друго преимущество. Тъй като те много по-добре поглъщат светлината в сравнение със силиция, за да бъдат погълнати всички преминали през обектива фотони е достатъчно върху схемата за прочитане на пикселите да бъде нанесен съвсем тънък слой квантови точки. Тоест, този слой не трябва да е така дебел като при CMOS матриците. В крайна сметка тънкият слой квантови точки е значително по-чувствителен и дава възможност за получаването на по-добро качество на заснетия материал както при ниска осветеност, така и при много висока яркост.

И както обичаше да казва Стив Джобс „И още нещо“. Лесното настройване на квантовите точки може да положи началото на евтините и качествени снимки и видеа в инфрачервения диапазон. Съвременните инфрачервени фотоапарати и камери по принцип работят по същия начин като тези, снимащи във видимия диапазон на спектъра – различни са само веществата, използвани за поглъщане на светлината.

В традиционните инфрачервени фотосензори се използват полупроводници с малка ширина на забранената зона, като например оловен селенид или галиево-индиев арсенид, които поглъщат светлинно излъчване с по-голяма дължина на вълната. Оптичните сензори от тези вещества трябва да се произвеждат отделно от силициевите CMOS матрици чрез съвсем други технологии. Накрая е необходимо съединяването на CMOS матрицата с полупроводника за инфрачервена светлина, като се използва съединение на метал с метал.

Това е труден и сложен процес, който се нарича хибридизация и включва нанасянето на малко количество лесно топим индий за всеки пиксел както на полупроводника за инфрачервените лъчи, така и за CMOS матрицата. След това роботът на поточната линия подравнява тези две пластини, притиска ги една към друга и за кратко време разтопява индия, за да се образуват електрическите връзки. Това е сложен и неточен процес, който ограничава размерите на фотосензора и оказва силно негативно влияние на неговата резолюция. Освен това, хибридизацията дава възможност за изготвянето на само един от тези фотосензори наведнъж, а това прави процеса бавен и скъп.

Квантовите точки, чувствителни към инфрачервената светлина могат да се нанасят във вид на мастило и сложната хибридизация вече не е необходима. А това означава, че размерът на пиксела може да бъде под 15 микрона (колкото е необходимо за един индиев контакт при CMOS матриците), а това дава възможност за наличието на много повече пиксели на по-малка област, което означава и много добра резолюция на инфрачервената матрица. А по-малкият сензор изисква и по-малки оптични лещи, така че в крайна сметка квантовите точки ще дадат възможност за създаването на съвсем евтини инфрачервени камери.


Следващият път ще се спрем на проблемите на фотосензорите с квантови точки и на производството на фотоапаратите и камерите от новия тип.

2
ДОБАВИ КОМЕНТАР

avatar
1 Коментари
1 Отговори на коментарите
0 Последователи
 
Коментарът с най-много реакции
Най-горещият коментар
  Абонирай се  
нови стари оценка
Извести ме за
МъдиУотърс
МъдиУотърс

И какво иска да каже, „квантовите са подобрение и накрая казва, бе има забранени вещества и ме може да ги ползваме, оставаме на cmos. Аре другия път ще ви кажа пък какво куца при квантовите“…. Ужасен избор за публикация!

Емииии
Емииии

Е те тука толкова си могат. Не им се сърди.