QuantumFilm: фотографии на "квантовой плёнке"

Автор: Олег Нечай

Опубликовано 29 июня 2010 года

Нанотехнологии открывают новые возможности совершенствования даже самых передовых разработок: современные кремниевые матрицы, используемые в фотоаппаратах и видеокамерах, можно сделать ещё чувствительнее с минимальными затратами.

Специалисты из калифорнийской компании InVisage Technologies, основанной бывшими сотрудниками OmniVision и учёными из канадского университета Торонто, предложили оригинальную технологию QuantumFilm, позволяющую в четыре раза повысить светочувствительность ПЗС или КМОП-матриц или в четыре раза увеличить их разрешение.

Главной задачей разработчиков было улучшить качество съёмки крохотных фотокамер, которые сегодня встраиваются практически во все портативные гаджеты – от телефонов и коммуникаторов до мультимедийных плееров и планшетов. Несмотря на заметный прогресс в области конструирования таких модулей, достигнутый за последние пять лет, по качеству съёмки "мобилокамеры" по-прежнему с трудом могут сравниться с обычными фотоаппаратами – даже с дешёвыми "мыльницами".

Как показали исследования, увеличение "мегапиксельности" не даёт принципиального роста качества картинки. Основная проблема в другом: по сравнению с "настоящими" фотоаппаратами, телефонные камеры страдают от недостатка освещения, вызванного не всегда оптимальным расположением фотомодуля в корпусе камеры, конструкцией сенсора и низким качеством оптики. При этом классическая технология изготовления кремниевых светочувствительных матриц практически исчерпала возможности дальнейшего развития и не позволяет кардинально решить проблему "мобилокамер".

В InVisage Technologies решили пойти другим путём и разработали кремниевый материал, изначально оптимизированный для максимальной светочувствительности. По оценкам представителей компании, если обычные матрицы на основе кремния захватывают лишь около 25% поступающего на них света, то сенсоры на основе технологии QuantumFilm улавливают до 95% света.

Поскольку кремний поглощает свет и преобразует его в электричество, к нему должны быть подведены контакты и массив транзисторов, которые выполнены как металлические слои. В обычной светочувствительной матрице свет должен пройти через эти два слоя, прежде чем он попадёт на кремниевый полупроводник, способный его уловить и измерить. В результате в матрицу проникает намного меньше света, чем могло бы поступать при оптимальной конструкции сенсора.

В матрице, изготовленной по технологии QuantumFilm, тоже есть эти два металлических слоя, но они расположены не над, а под регистрирующим слоем, что вдвое увеличивает количество попадающего на него света. Цветной светофильтр, установлен над светочувствительным слоем, а кремниевая подложка, как и в обычной матрице, под двумя металлическими слоями.

Регистрирующий слой представляет собой плёнку из эластичного прозрачного полимера, в которой содержится массив квантовых точек – отсюда и название QuantumFilm, то есть "квантовая плёнка". Этот массив вдвое более светочувствителен, чем кремний, в результате новые матрицы демонстрируют вчетверо более высокую чувствительность к свету, чем обычные. Когда фотоны ударяют по квантовым точкам, последние точно так же поглощают энергию света, как и кремний, только с гораздо большей эффективностью.

В каждом пикселе матрицы, изготовленной по технологии QuantumFilm, содержится несколько миллионов квантовых точек размером в несколько нанометров. Точные цифры держатся в секрете, при этом настройка сенсора производится путём варьирования размеров точек. Приложение к точкам разных размеров различной энергии даёт разные цвета.

Благодаря тому, что квантовые точки чрезвычайно малы по размеру и их очень много в каждом пикселе, электроны ведут себя в новом материале иначе, чем в кремнии. Если в кремнии только фотоны с некоторой длиной волны обладают энергией, способной заставить электрон "перепрыгнуть" на другой уровень, что позволяет замерить освещённость, то в случае с "квантовой плёнкой" диапазон регистрируемых волн значительно шире.

Сенсор на основе QuantumFilm работает, как фотодиод в кремнии. Поглощая фотоны, квантовые точки преобразуют энергию света в экситоны – квазичастицы, состоящие из отрицательно заряженного электрона и положительно заряженной дырки. Электрическое поле под квантовыми точками разделяет эти две частицы и электроны переходят в металлические слои, а кремний работает так же, как и в традиционных матрицах – замеряет электрический сигнал и преобразует его в цифровой.

Важнейшее достоинство QuantumFilm – совместимость с традиционным технологическим процессом изготовления кремниевых матриц: "плёночный" слой с квантовыми точками наносится на завершающей стадии производства. Благодаря этому себестоимость выпущенных по новой технологии сенсоров невысока и существенно ниже, чем у обычных кремниевых КМОП-матриц высокого разрешения.

Полимерная плёнка с квантовыми точками может напыляться непосредственно поверх других слоёв чипа при производстве кремниевой подложки на любой фабрике, владеющей традиционным технологическим процессом. Толщина плёнки после высыхания – от 500 до 1000 нм (от 0,5 до 1 микрона), толщина металлических слоёв – от 4 до 5 микрон.

У технологии QuantumFilm есть два возможных применения. Прежде всего, при её помощи можно выпускать "телефонные" светочувствительные матрицы того же разрешения и размера, что и обычные, но с гораздо более широкими возможностями съёмки в условиях недостаточной освещённости. Таким образом появляется возможность существенно повысить реальное качество фотографий, получаемых при помощи встроенных в портативные устройства камер.

Второе применение – производить матрицы того же физического размера и чувствительности, что и обычные, но с вчетверо более высоким разрешением. Если для традиционных кремниевых матриц наращивание числа пикселей при сохранении разумных габаритов упирается в технологические ограничения, то для QuantumFilm этой проблемы нет. По словам исполнительного директора InVisage Джесс Ли, благодаря новой технологии трёхмегапиксельные матрицы смогут делать снимки с реальным разрешением, соответствующим 12-мегапиксельным сенсорам.

Разработка технологии, способной кардинально повысить качество съёмки миниатюрных фотокамер, началась почти десять лет назад в рамках научного проекта процессора университета Торонто Теда Сарджента. После того как теоретические расчёты были подтверждены экспериментально, была основана компания InVisage Technologies. Перед исследователями была поставлена задача приспособить новую технологию к существующему производственному процессу – в противном случае её коммерческое внедрение было бы нецелесообразным. Задача была решена, и сегодня чипы с применением "квантовой плёнки" готов серийно выпускать один из крупнейших мировых производителей микросхем – тайваньская компания TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company).

В InVisage Technologies совместно с TSMC планируют выпустить первые образцы матриц на базе технологии QuantumFilm уже в конце 2010 года, а серийные телефоны и коммуникаторы с подобными камерами могут появиться на прилавках магазинов примерно в четвёртом квартале 2011 года. Владельцы компании не исключают, что в будущем их технология будет применяться и в цифровых фотоаппаратах – от "мыльниц" до зеркалок, однако пока они ориентируются исключительно на встраиваемые "мобилокамеры".

Потенциал материала QuantumFilm, который, в отличие от кремния, специально разработан для поглощения света, весьма велик. Его можно использовать в самых разнообразных изделиях, где требуется преобразование световой энергии в электрическую. Напрашивающийся пример – фотоэлементы, применяемые для сборки солнечных батарей.

Поскольку "квантовая плёнка" способна улавливать свет не только в видимом спектре, но и в инфракрасном и близком к нему диапазоне, она может использоваться для создания приборов ночного видения или камер наблюдения. Благодаря широкому диапазону регистрируемый световых волн, технология QuantumFilm может применяться в автомобильных камерах или в устройствах, отслеживающих местонахождение людей в системах безопасности или в игровых приставках.

Впрочем, пока в InVisage Technologies не планируют продавать лицензии даже на уже готовые разработки: фирма намерена начать выпуск светочувствительных матриц для портативных устройств под собственным брендом чтобы поставлять их непосредственно производителям мобильных телефонов.