Нанолисты оксида цинка, легированные галлием, показали токовую чувствительность 800 ампер на ватт – примерно в 80 раз выше, чем у серийных фотоприёмников. Материал остаётся почти прозрачным, поэтому слои удаётся укладывать стопкой, и каждый снимает свою часть видимого спектра. Один пиксель под такой стопкой различает красный, зелёный и синий, тогда как под фильтром Байера пиксель регистрирует лишь один цвет. О работе Университет Нагоя сообщил , статья вышла в журнале ACS Nano.
Почему пиксель под фильтром Байера видит только один цвет
Над матрицей серийной камеры лежит мозаика красных, зелёных и синих светофильтров. Пиксель считывает интенсивность одного цвета из трёх, а две недостающие составляющие восстанавливают по показаниям соседей. Отсюда простая арифметика: научите один пиксель читать все три цвета сразу – и общее их число сократится примерно на 75% при том же разрешении, а вместе с числом пикселей уменьшится площадь матрицы.
Фильтр Байера – шахматная мозаика из красных, зелёных и синих светофильтров поверх пикселей матрицы. Полноцветное изображение собирают программно, достраивая для каждого пикселя две недостающие цветовые составляющие по соседям.
Второе ограничение уходит благодаря прозрачности. Свет проходит нанолист насквозь, значит светочувствительные слои можно расположить вертикально друг над другом, каждый со своей цветовой специализацией. Отдельные светофильтры на каждый пиксель при такой схеме не нужны, а вместе с ними отпадают и сложные полупроводниковые операции, которых требует изготовление обычного RGB-датчика.
Нанолисты – сверхтонкие двумерные пластины, прозрачные для видимого света и стойкие к химическому воздействию. Их укладывают друг на друга, собирая многослойные структуры.
Как добавка галлия усилила отклик оксида цинка на видимый свет
Группа под руководством профессора Минору Осады (Minoru Osada) вместе с исследователями Рубеном Кантон-Виторией (Ruben Canton-Vitoria) и Вивидом Мелабом (Vivid Meelab) из института IMaSS (Institute of Materials and Systems for Sustainability) Университета Нагоя взялась за нанолисты оксида цинка. Прозрачность и химическая стабильность у этого материала были изначально, а вот на видимый свет он откликался слабо – для камерного датчика этого мало.
Электронную структуру оксида цинка перестроили, введя в неё галлий. Легирование создало ловушечные состояния: они захватывают электроны и переводят свет в электрический сигнал. Прозрачность при этом сохранилась.
800 ампер на ватт против 10 у серийных фотоприёмников
По данным университета, в фототок переходит лишь 0,005% поглощённой световой энергии, а каждый слой пропускает 99,995% видимого излучения. При столь скромном расходе энергии токовая чувствительность легированных нанолистов достигает 800 ампер на ватт (А/Вт) против типичных 10 А/Вт у серийных фотоприёмников. Причина в тех же ловушечных состояниях: сильный отклик возникает даже на малую долю поглощённого света, а основной поток уходит в следующий слой.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Токовая чувствительность нанолистов GZO | 800 А/Вт |
| Токовая чувствительность серийных фотоприёмников | около 10 А/Вт |
| Пропускание видимого света одним слоем | 99,995% |
| Доля поглощённой энергии, переходящая в фототок | 0,005% |
| Ошибка цветопередачи | вдвое ниже, чем у обычных камер |
| Стабильный отклик при нагреве | до 400 °C |
| Возможное сокращение числа пикселей | до 75% |
Стопка слоёв GZO вместо мозаики цветных фильтров
Собранный в Нагое датчик состоит из трёх слоёв. Первый благодаря фотоактивным ловушечным состояниям снимает весь видимый спектр. Дальше из светового потока вырезают красную составляющую, и второй слой регистрирует зелёную и синюю. Замыкающий фильтр обрезает зелёный, оставляя последнему слою только синий. В экспериментах такая конструкция воспроизвела полноцветные изображения с вдвое меньшей ошибкой, чем обычные камеры.
Этот оптический датчик близок к тому, как сетчатка человеческого глаза различает красный, зелёный и синий.
– Минору Осада, профессор, Университет Нагоя
Сравнение с сетчаткой Осада доводит до конца: цвет собирает мозг, складывая отклики трёх типов зрительных клеток, каждый из которых чувствителен к своему диапазону длин волн.
Нагрев до 400 градусов и синтез из раствора при комнатной температуре
Устойчивость структуры к внешним условиям в Университете Нагоя проверяли отдельно. Отклик на свет оставался стабильным при нагреве до 400 °C на воздухе, а также в вакууме и во влажной среде. Так очерчивается область применения за пределами потребительской техники: космическая аппаратура, автомобильные системы, обстановка с повышенной радиацией.
Не менее важна производственная сторона. Датчик получают из раствора при комнатной температуре, без высокотемпературной обработки и сложной микролитографии, которых требуют обычные матрицы. На этом исследователи и строят расчёт меньшей себестоимости по сравнению с нынешними камерами.
Чего в работе нет: масштабирование до 200 Мп и однодюймовых матриц
Речь идёт о лабораторном образце, и перенос технологии на крупные смартфонные матрицы разрешением 50 и 200 Мп либо на датчики формата один дюйм в опубликованных материалах не разобран. Если масштабирование не выйдет, крупная матрица классической конструкции – с LOFIC и многокадровой обработкой – вполне может остаться сильнее по итоговому качеству снимка, да и по глубине резкости у неё преимущество.
Выигрыш в любом случае получают фронтальные и сверхширокоугольные камеры, где датчик невелик по определению. Сокращение объёма камерного модуля высвобождает место внутри корпуса, а его есть на что потратить: аккумулятор большей ёмкости, более совершенная стабилизация, наконец, более крупный датчик основной камеры. Уменьшается и выступ камеры на задней панели.
Заключение
Ценность работы не в рекорде чувствительности как таковом, а в связке трёх свойств: прозрачности, сильного фотоотклика и температурной стойкости. Именно она открывает путь к вертикальной укладке слоёв, при которой цветоделение происходит внутри одного пикселя, а не размазывается по четырём соседним.
До серийных камер отсюда далеко: показан лабораторный образец, а не готовая матрица. Тем, кто выбирает смартфон сегодня, эта публикация ничего не меняет. Инженерам, которые проектируют компактную оптику для эндоскопов, автомобильных и космических камер, она даёт материал с рабочим диапазоном до 400 °C и синтезом из раствора – сочетание, которого у кремниевых матриц с фильтром Байера нет.
Подробности изложены в сообщении Университета Нагоя; полный текст статьи опубликован в журнале ACS Nano.