Буквально днями представники відразу двох компаній, компанії Samsung, Південна Корея та компанії Omnivision, Санта-Клара, США, оголосили про створення найменших пікселів для цифрових камер наступних поколінь. Розмір становить 0.56 мікрометра від центру одного пікселя до центру іншого, що майже дорівнює довжині хвилі зеленого світла.
В цей час компанія Samsung випускає матриці для цифрових камер з розміром пікселя 0.64 мікрометра, а компанія Omnivision лише у січні цього року розпочала виробництво матриць з пікселем на 0.61 мікрометра. 0.56-мікрометрові 200-мегапіксельні матриці Omnivision стануть доступні виробникам електроніки вже цього року, а появи їх у смартфонах та іншій споживчій електроніці слід очікувати у 2023 році.
Світло потрапляє на структуру пікселя через мікролінзу, потім проходить крізь світлофільтр і поглинається поверхнею кремнієвого фотодіода. У структурі світлодіода накопичується електричний заряд, що впливає провідність цього пристрою. Потім електричний струм через кожен зі світлодіодів вимірюється, оцифровується, і на основі цих даних складається цифрове значення кольору кожного пікселя.
Зменшення розмірів пікселів пов’язані з низкою потенційних проблем. Пікселі менших розмірів схильні до взаємного впливу, наприклад, світло, що падає під невеликим кутом, засвічує сусідні пікселі. Або електричний заряд, накопичений у структурі одного пікселя, впливає на провідність фотодіодів сусідніх пікселів. Щоб уникнути взаємного впливу пікселів інженерам доводиться створювати спеціальні захисні бар’єри, що складаються з комбінації діелектричних та струмопровідних матеріалів.
Для створення захисних бар’єрів від розсіяного світла компанія Samsung пішла на надзвичайно незвичайний крок – на використання повітряного зазору. Однак, спеціальна форма елементів пікселя, створена за допомогою процесу високоточного гравіювання, буквально створила диво, знизивши коефіцієнт взаємного впливу пікселів на 1.2 відсотка і підвищивши квантову ефективність (співвідношення загальної кількості фотонів, що потрапили в піксель, до кількості вироблених електронів) на 7 відсотків.
Іншою проблемою, з якою стикаються інженери, скорочуючи розміри пікселя, це зменшення їхньої електричної ємності, здатності накопичувати електричний заряд. Від цього параметра залежить динамічний діапазон – здатність пікселя відчувати різні рівні освітленості, від слабкої освітленості до яскравого світла.
Нинішні 0.64-мікрометрові пікселі Samsung здатні накопичувати заряд, еквівалентний заряду 6 тисяч вільних електронів. При скороченні розміру пікселя до 0.56 мікрометрів це число скоротиться до 3.4 тисяч, що призведе до пропорційного зниження динамічного діапазону. Але шляхом збільшення внутрішнього обсягу шляхом скорочення товщини ізоляції та використання спеціальних елементів-допантів інженерам Samsung вдалося утримати місткість пікселя на колишньому рівні.
Згідно з наявною інформацією, створення пікселів на 0.56 мікрометра є далеко не кінцевою точкою. “У майбутньому ви побачите ще крихітні пікселі” – пишуть дослідники, – “Це буде дуже важким завданням, але ми впевнені в тому, що нам вдасться знайти відповідний шлях для цього”.