Развитие технологий цифровой фотографии и машинного зрения во многом зависит от улучшения качества цветового восприятия и максимально эффективного использования света. Традиционные фотодетекторы с цветными фильтрами уже долгое время служат основой для камер во всех сферах, от бытовых устройств до профессионального оборудования. Однако их главный недостаток заключается в значительных потерях света из-за использования пассивных цветовых фильтров, которые поглощают и рассевают до двух третей падающего света. Эта особенность снижает общую чувствительность сенсоров и ограничивает качество получаемого изображения. Вертикально-слоистые монолитные перовскитные фотодетекторы становятся инновационным решением этих проблем, предлагая принципиально новый способ цветного восприятия через активные слоистые структуры с использованием тонкопленочных материалов с настраиваемыми свойствами.
Основой технологии служат перовскиты — это класс полупроводников с формулой APbX3, где 'A' — органический или неорганический катион, а 'X' — галогенидный анион (хлор, бром или йод). Благодаря гибкости в химическом составе перовскитов можно точно настраивать ширину запрещенной зоны, что позволяет создавать слои, эффективно поглощающие определённые участки видимого спектра — синий, зелёный и красный цвета. Такой подход кардинально отличается от классических сенсоров с цветофильтрами. Вместо того, чтобы отсеивать свет пассивно, перовскитные слои выступают в роли активных, самодостаточных фильтров-детекторов, которые последовательно размещены вертикально друг над другом, образуя монолитную структуру. Вертикальное расположение слоёв перовскитных фотодетекторов обеспечивает эффективное использование света, так как каждый слой поглощает и преобразует энергию из своей особой полосы спектра.
Это устраняет необходимость в дополнительных оптических фильтрах, которые традиционно уменьшают яркость и приводят к потерям информации. За счёт этого внешняя квантовая эффективность (EQE) сенсоров на базе перовскитов достигает значений около 50% для каждого цвета, что практически вдвое превышает показатели классических сенсоров с цветофильтрами. Монолитное формирование таких многослойных структур требует сложных методов производства. Важно обеспечить, чтобы каждый новый слой не растворял и не разрушал предыдущий, сохраняя высокое качество пленок и равномерность толщины. Для этого применяется ко-испарение исходных компонентов перовскита в условиях физического осаждения паров, что создаёт сплошные и бездефектные слои толщиной в несколько сотен нанометров.
Также используются специальные транспортные и диэлектрические слои, а прозрачные электроды из индия и олова (ITO) служат в качестве контактов, позволяя пропускать свет и одновременно обеспечивать эффективность сбора зарядов. Важным преимуществом подобной архитектуры является устранение проблем демозаики — технологии, которая применяется в традиционных камерах для интерполяции цвета. В классических фотодатчиках каждый пиксель чувствителен только к одному из основных цветов, а остальные цвета восстанавливаются путем сложной обработки, что приводит к появлению цветовых искажений и потере детализации. В случае перовскитных вертикально-слоистых фотодетекторов каждый пиксель формируется из трёх взаимозависимых фотодетекторов, которые регистрируют полный цветовой спектр локально, обеспечивая высокую точность цветопередачи и детализацию изображения без артефактов. Одним из ключевых моментов является высокая цветовая точность и достоверность, измеряемая параметром ΔELab, который учитывает различия восприятия цвета человеческим глазом.
Для перовскитных монолитных сенсоров она достигает показателя менее 4%, что намного лучше современных датчиков, в том числе Foveon и Bayer CFA, у которых этот показатель значительно выше. Это делает новую технологию весьма перспективной для задач, где критична точность цветового воспроизведения, таких как профессиональная фотография, медицинская визуализация и машинное зрение. Технические характеристики таких детекторов впечатляют и по другим параметрам. Темновой ток весьма низок — от 10 до 50 наноампер на квадратный сантиметр при обратном напряжении, что означает малое шумовое напряжение и высокую чувствительность. Скорости отклика устройств достигают нескольких мегагерц, что позволяет обрабатывать динамичные сцены без потери качества.
Специфическая обнаружительность (detectivity) находится на уровне сотен миллиардов Джонс — показатели, сравнимые с лучшими традиционными сенсорами. Линейность ответной реакции по всему диапазону позволяет получать равномерный и предсказуемый выходной сигнал. Преимущества перовскитных вертикально-слоистых фотодетекторов выходят далеко за пределы традиционного использования в цифровых камерах. Благодаря своей конструкции и настраиваемой спектроскопической чувствительности, они обещают серьёзный прорыв в области машинного зрения, где необходима высокая точность цветового различия для идентификации объектов и анализа изображений. В частности, они могут улучшить возможности систем искусственного интеллекта, которые часто сталкиваются с задачами распознавания сложных цветовых паттернов.
Кроме того, тонкопленочные перовскитные структуры отличаются технологической простотой и сравнительно низкой стоимостью производства в сравнении с традиционными полупроводниками III–V группы, требующими дорогих методов эпитаксиального роста. Перовскиты можно осаждать методом вакуумного напыления с контролируемыми параметрами, что упрощает интеграцию с современными микроэлектронными системами, в том числе CMOS-чипами, и способствует развитию компактных и энергоэффективных сенсорных платформ. С практической точки зрения, исследования уже продемонстрировали как индивидуальные пиксельные устройства, так и массивы из множества пикселей, работающих в формате 8×8×3 и 64×64×3. Массивы показали стабильное распределение цветовых сигналов и минимальные перекрестные помехи между слоями, что подтверждает пригодность технологии для масштабирования и индустриального производства. В сочетании с развитием перовскитной литографии и технологий вертикальных межслоевых соединений, можно ожидать создания полнофункциональных камер с высоким разрешением и потенциалом интеграции в портативные, автомобильные и промышленные системы.
