Буквально на днях представители сразу двух компаний, компании Samsung, Южная Корея, и компании Omnivision, Санта-Клара, США, объявили о создании самых маленьких пикселей для цифровых камер следующих поколений. Размер составляет 0.56 микрометра от центра одного пикселя до центра другого, что почти равно длине волны зеленого света.

В настоящее время компания Samsung выпускает матрицы для цифровых камер с размером пикселя 0.64 микрометра, а компания Omnivision только в январе этого года начала производство матриц с пикселем на 0.61 микрометра. 0.56-микрометровые 200-мегапиксельнные матрицы Omnivision станут доступны производителям электроники уже в этом году, а появления их в смартфонах и другой потребительской электронике следует ожидать в 2023 году.

Свет попадает на структуру пикселя через микролинзу, затем он проходит сквозь светофильтр и поглощается поверхностью кремниевого фотодиода. В структуре фотодиода накапливается электрический заряд, влияющий на проводимость этого устройства. Затем электрический ток через каждый из фотодиодов измеряется, оцифровывается, и на основе этих данных составляется цифровое значение цвета каждого пикселя.

Уменьшение размеров пикселей связано с рядом потенциальных проблем. Пиксели меньших размеров подвержены взаимному влиянию, к примеру, свет, падающий под небольшим углом, засвечивает соседние пиксели. Или электрический заряд, накопленный в структуре одного пикселя, влияет на проводимость фотодиодов соседних пикселей. Во избежание взаимного влияния пикселей инженерам приходится создавать специальные защитные барьеры, состоящие из комбинации диэлектрических и токопроводящих материалов.



Для создания защитных барьеров от рассеянного света компания Samsung пошла на весьма необычный шаг - на использование воздушного зазора. Однако, специальная форма элементов пикселя, созданная при помощи процесса высокоточной гравировки, буквально сотворила чудо, понизив коэффициент взаимного влияния пикселей на 1.2 процента и повысив квантовую эффективность (соотношение общего количества попавших в пиксель фотонов к количеству выработанных электронов) на 7 процентов.

Другой проблемой, с которой сталкиваются инженеры, сокращая размеры пикселя, это уменьшение их электрической емкости, способности накапливать электрический заряд. От этого параметра напрямую зависит динамический диапазон - способность пикселя ощущать разные уровни освещенности, от слабой освещенности до яркого света.

Нынешние 0.64-микрометровые пиксели Samsung способны накапливать заряд, эквивалентный заряду 6 тысяч свободных электронов. При сокращении размера пикселя до 0.56 микрометра это число сократится до 3.4 тысяч, что приведет к пропорциональному снижению динамического диапазона. Но путем увеличения внутреннего объема за счет сокращения толщины изоляции и использования специальных элементов-допантов, инженерам Samsung удалось удержать емкость пикселя на прежнем уровне.

Согласно имеющейся информации, создание пикселей на 0.56 микрометра является далеко не конечной точкой. "В будущем вы увидите еще более крошечные пиксели" - пишут исследователи, - "Это будет весьма тяжелой задачей, но мы уверены в том, что нам удастся найти подходящий путь для этого".