5年內手機將用上量子點圖像傳感器,CMOS或將成為歷史

編 | 雲鵬

智東西3月4日消息，近日，兩位科學家在IEEE上發布文章，稱量子點圖像傳感器可能將逐漸取代CMOS圖像傳感器。量子點圖像傳感器對於光線的吸收是可調的，並且光線吸收能力更強、成像動態範圍更廣、尺寸更小。

雖然目前量子點成像還面臨穩定性較差、效率較低、一致性難以保證等問題，但全球許多科技企業都致力於實現量子點成像的商業化。據外媒報導，蘋果在2017年就曾收購過一家致力於製造量子點相機以用於智慧型手機的公司InVisage。

一、強光弱光通吃，成本更低

從2000年起，CMOS圖像傳感器逐漸走向商業化，這也導致數位相機的體積越來越小，價格越來越便宜。現在，手機至少都配備了兩個攝像頭，除了專業攝影師，一般很少有人還要帶上相機出門。大部分人都覺得手機拍出的相片已經足夠好了。

但是目前在強光環境下，手機拍攝的照片會丟失許多細節，而在弱光環境下，圖像的噪點也會非常明顯，並且解析度不夠。並且手機的成像色彩也不會跟專業相機一樣豐富。而這一切都與手機使用的CMOS圖像傳感器有關。

現在成像技術領域又將會迎來一場革命——量子點傳感器。量子點是一種納米級的半導體材料顆粒，也可以用作圖像傳感器中的光線吸收材料。

一般來說，半導體材料吸收光時，會從化學鍵中釋放出電子，並且該電子會處於一種自由漫遊的狀態。然後傳感器會捕捉這些電子並生成圖像信號，通過一系列複雜的處理，最終讓你看到照片。

同樣，量子點也會吸收光線並釋放電子，但不同的是，它所釋放的電子卻不那麼容易漫遊。因為量子點的直徑只有幾納米，所以就會在內部產生一種量子約束（quantum confinement）效應，因為這種效應，釋放的電子就會更不容易「逃走」。這也是量子點比較特殊的性質之一。

▲傳統CMOS圖像傳感器和量子點圖像傳感器的結構對比

對於成像來說，量子點最有用的屬性是其吸收的光是可調的。只需要只需選擇合適的材料和合適的粒徑大小，就可以將量子點可吸收的光調整為可見光和紅外光譜中的任何波長。直徑約10納米量子點可以吸收紫外線、藍光和綠光，並且可以發出紅光。而3納米的硒化鎘量子點可以吸收紫外線和藍光並發出綠光。

這種可調性也可以逆向生效，也就是可以人為控制電子與量子點複合時所發出的光的顏色。近年來，正是量子點這種發光可調性激發了電視和顯示器廠商使用量子點來改善色彩的表現力，造就了我們能看到的量子電視和QLED面板。

除可調性外，量子點還有一些優點。比如，較小的尺寸可以使量子點摻入可印刷的墨水中，從而使量子點非常易於製造。另外，量子點可以比矽更有效地吸收光，這就讓圖像傳感器的尺寸可以變得更薄。最後，量子點成像的動態範圍非常廣，無論是強光還是弱光都可以良好的成像。

二、紅外成像領域前景廣闊

▲量子點紅外攝像機的商業應用，其中黑白圖像是由量子點紅外攝像機拍攝

就像上面圖中所展示的，量子點相機還有具有一個巨大的潛力，就是可以將紅外攝影技術帶入大眾電子消費產品中，因為它們的可調性能夠擴展到紅外波長。

傳統的紅外攝像機使用例如硒化鉛、銻化銦或砷化銦鎵這樣的半導體材料來吸收矽所不能吸收的光。由這些材料製成的像素陣列必須與用於測量電流並生成圖像的矽CMOS電路分開製造，然後再通過金屬對金屬的方式進行單個像素點級別的連接。

這個工藝非常複雜，也因此限制了像素陣列大小、單像素大小和傳感器解析度。另外，由於一次只能完成一個攝像頭晶片的製造，這種製造工藝的產能是非常低的。

但量子點卻可以使用廉價的大規模化學處理技術合成，跟傳統材料一樣。而且工廠還可以在矽電路完成後，直接把量子點噴塗到晶片上，非常快速、高效。這樣一來，同樣的面積上還可以容納更多的像素點，也就可以讓紅外攝像機的尺寸進一步縮小，並降低成本。

▲紅外量子點圖像傳感器結構

三、量子點成像依然存在三大挑戰

上述種種優勢讓量子點看起來像是一種完美的成像技術，但其實目前還存在許多挑戰。量子點成像在當下主要的障礙是穩定性較差、效率較低、一致性難以保證。

1、穩定性

首先，量子點會在空氣中氧化，從而導致傳感器的性能發生變化，比如靈敏度降低、噪點增強、響應時間變慢甚至短路。在電視廠商那裡，量子點不需要直接接觸電路，因此可以通過用聚合物包圍量子點的方式防止其暴露在空氣中。

但在圖像傳感器中，量子點要用於光的檢測，就必須要實現電子的自由遷移，要與電路進行接觸。所以在保護量子點不受空氣氧化的同時，實現電子遷移是目前探索的方向之一，但這是一項非常艱巨的任務，許多研究人員都在朝著這個目標努力。

另外，目前用於維持量子點穩定的有機活性劑，會導致電子不易通過量子點膜轉移到收集信號的電極上，因此採用什麼材料製成活性劑也是要解決的一個難題。

2、效率

▲常見量子點材料與傳統材料光子檢測效率的對比

量子點傳感器在光子檢測效率方面也存在問題。量子點尺寸小、表面積大的特性會導致部分光線射入後生成的電子在到達電極之前，又與量子點重新結合。發生這種情況時，電路永遠不會檢測到光子，從而減少了最終到達相機處理器的信號。

傳統的CMOS傳感器中，光子檢測的效率一般在50%以上，而量子點傳感器的效率通常不足20%，差距比較明顯。目前量子點材料和器件設計正在逐步改善，檢測效率也在不斷提高。

3、一致性

由於目前廠商普遍使用化學工藝製造量子點，因此其尺寸存在一些固有的變化。並且由於量子點的光學特性受尺寸的影響比較明顯，所以任何偏差都將導致吸收的光的顏色發生變化。

廠商必須小心地控制製造過程，儘量縮小偏差。在這方面具有豐富經驗的巨頭公司在保持一致性方面已經做的非常出色，但是較小的廠商通常很難生產出一致的產品。

四、五年內量子點傳感器上手機

儘管存在這些挑戰，但是許多公司仍然迎難而上，致力於將量子點相機商業化。

▲SWIR Vision Systems推出的紅外量子點相機Acuros

SWIR Vision Systems專注於製造短波紅外量子點相機。Acuros使用了硫化鉛量子點，目前，此攝像機中的量子傳感器對紅外波長的平均檢測效率為15％，這意味著接觸探測器的光子中有15％最終會轉化為可測量的信號。

這大大低於現有紅外相機中所使用的砷化銦鎵技術的檢測效率，後者可以達到80％。但是Acuros相機的像素為15 µm，比大多數紅外相機具有更高的解析度。該公司指出，它的價格相比傳統紅外相機也更具競爭力。

至於消費相機市場，2017年TechCrunch報導稱蘋果已經收購了InVisage，這是一家致力於製造量子點相機以用於智慧型手機的公司。不過蘋果一直對量子點技術的相關計劃保持沉默。

其他公司也正在努力解決量子點光電傳感器的穩定性和效率問題，並擴大波長和靈敏度的範圍。BAE Systems、Brimrose、Episensors和Voxtel都是致力於量子點相機技術商業化的公司。世界各地的學術團體也深入參與基於量子點傳感器和攝像頭的研究，包括麻省理工學院、芝加哥大學、多倫多大學、蘇黎世聯邦理工學院、索邦大學和香港城市大學。

五年之內，我們很可能會在手機中看到基於量子點的圖像傳感器，從而使我們能夠在弱光下拍出更好的照片和視頻，並改進面部圖像識別技術，同時紅外成像的成本也會極大降低，設備尺寸也會進一步縮小。