ITRM940294A1 - Fotorivelatore a spettro variabile controllato in tensione, per applicazioni di rivelazione e ricostruzione di immagini bidimensionali a colori - Google Patents

Fotorivelatore a spettro variabile controllato in tensione, per applicazioni di rivelazione e ricostruzione di immagini bidimensionali a colori Download PDF

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ITRM940294A1
ITRM940294A1 IT000294A ITRM940294A ITRM940294A1 IT RM940294 A1 ITRM940294 A1 IT RM940294A1 IT 000294 A IT000294 A IT 000294A IT RM940294 A ITRM940294 A IT RM940294A IT RM940294 A1 ITRM940294 A1 IT RM940294A1
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light
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Cesare Giampiero De
Fernanda Irrera
Fabrizio Palma
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Uni Degli Studi Di Roma L A Sapienza
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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo: "FOTORIVELATORE A SPETTRO VARIABILE CONTROLLATO IN TENSIONE, PER APPLICAZIONI DI RIVELAZIONE E RICOSTRU-
ZIONE DI IMMAGINI BIDIMENSIONALI A COLORI' ;
L'invenzione presentata riguarda un fotorivelatore a spettro variabile che permette la rivelazione indipendente di tre porzioni dello spettro visibile centrat e sui tre colori fondamentali (rosso, verde, blu) variando la tensione di polarizzazione applicata di pochi volt, intorno allo zero. Detto fotorivelatore, realizzato con le note tecnologie per i film sottili, è connesso all'esterno tramite due soli terminali elettrici, rendendo estremamente facile la realizzazione di matrici bidimensionali integrate. La temperatura di deposizione del materiale usato per il dispositivo è tale da permettere l'utilizzo di qualsiasi substrato: vetroso, plastico, metallico.
L'invenzione in oggetto si colloca nel campo della rivelazione delle immagini e può trovare applicazioni soprattutto nel campo della fabbricazione di telecamere, telefax, ecc. e di tutti quei sistemi ove sia richiesta la sensibilità cromatica per la ricostruzione di immagini
Il trovato, per il quale si intende richiedere copertura brevettale, si propone di risolvere il problema della ricostruzione di immagini a colori anche di grandi dimensioni, ad alta risoluzione.
D vero punto focale dell'mvenzione risiede nella possibilità di discriminare efficientemente porzioni limitate dello spettro visibile corrispondenti ai tre colori fondamentali con due soli terminali elettrici, tramite un generatore di foto-corrente la cui soglia di funzionamento stia a valori differenti di tensione, a seconda della lunghezza d'onda luminosa.
Il riconoscimento dei soli colori blu e rosso, in principio, non presentava difficoltà particolari, ed è stato realizzato in vari modi, d’altro canto, il riconoscimento di un ulteriore spettro intermedio (verde), da parte del medesimo rivelatore, è stato lungamente ricercato con varie soluzioni tecnologiche, ma con risultati insoddisfacenti.
Nella presente invenzione il riconoscimento dei tre colori è reso possibile dalla serie circuitale: diodo-n-i-n (fotoresistenza)-controdiodo, le cui caratteristiche elettriche (della serie) variano con l'intensità e la lunghezza d'onda della luce incidente.
Rispetto a precedenti soluzioni descritte nella letteratura scientifica, la presenza della fotoresistenza assicura una effettiva separazione tra le finestre spettrali, in particolare, tra la finestra nel verde e le due laterali, perché nell'intervallo di tensioni in cui si riconosce il verde, gli altri due colori non possono essere rivelati (Fig.4).
Come è noto, la caratterizzazione completa di un colore è realizzata tramite una mescolanza di tre coordinate tricromatiche, a loro volta costituite da spettri complessi, il rosso centrato approssimativamente nel rosso, nel blu e nel verde.
Rivelatori di luce alle frequenze del visibile sono commercialmente esistenti ed applicati in sistemi elettronici per la ricostruzione delle immagini (telecamere, fax a colori, ecc ). Essi sono costituiti da matrici integrate di sensori ottici in silicio, resi selettivi ciascuno ad un diverso intervallo di frequenze ottiche tramite l'utilizo di filtri colorati che tentano di riprodurre i colori ideali. Dunque le tre frequenze fondamentali dello spettro visibile sono rivelate da tre rivelatori distinti (per un totale di 2x3=6 terminali elettrici) integrati in un unico pixel e trattati con tre filtri ottici passabanda centrati alle frequenze del rosso, del verde e del blu.
Nell'invenzione presentata, la realizzazione del fotorivelatore ai tre colori base dello spettro visibile richiede l'ottimizzazione degli spessori e dei coefficienti di assorbimento di vari strati, in modo da selezionare l'assorbimento del blu, del verde e del rosso. Se, da un lato, l'ottimizzazione degli spessori degli strati è resa possibile dal controllo dei parametri di deposizione, dall’altro, i coefficienti di assorbimento dipendono da proprietà fondamentali dei materiali usati, quali l'estensione della "gap" proibita del semiconduttore e la densità degli stati nella gap stessa. Nella descrizione dell'invenzione si è dato maggiore rilievo alla modulazione dell' estensione della gap, ottenuta con leghe di silicio/carbonio e silicio/gennanio.
È evidente che valori degli spessori e delle gap diversi portano alla selezione di altre finestre spettrali. Infatti, è stato già dimostrato , che usando materiali microcristallini. ottenuti tramite la stessa tecnica di scarica a bagliore ("Glow Discharge") ad alta diluizione di idrogeno, la fotorivelazione può essere spinta nel vicino infrarosso, mentre, se il diodo è particolarmente sottile e ad alta gap, l'assorbimento si sposta nella regione del violetto.
In definitiva, nella struttura, oggetto della presente domanda di brevetto, le tre finestre sono facilmente accordabili in una regione spettrale che può estendersi dal violetto all'infrarosso, facendo uso di leghe del silicio con il carbonio e il germanio, rispettivamente, Infine, se l'ingresso della luce non avviene attraverso il substrato di vetro, ma dalla parte dell'altro elettrodo, per esempio attraverso una griglia nel metallo, la finestra, a lunghezze d'onda corte, può essere spinta nell'ultravioletto.
Da quanto detto, si capisce che i vantaggi offerti dalla presente invenzione, rispetto alle soluzioni già esistenti sono :
- lettura dei tre spettri distinti, ad esempio centrati nel rosso, verde, blu; - la realizzazione su larga area;
- bassi costi di produzione;
- la semplicità dal punto di vista elettrico (due terminali);
- possibilità di realizzare apparecchiature portatili, per la rivelazione di immagini a colori, estremamente compatte e leggere (telecamere, fotocopiatrici, fax).
Come detto precedentemente, rivelatori di luce a colori esistono già in commercio; essi seguono prevalentemente due tecniche differenti, basate ambedue sul'utilizzo di sensori in silicio.
Nella prima tecnica la rivelazione dell' immagine colorata deriva dalla integrazione, per ogni pixel costituente la matrice, dei segnali provenienti da tre rivelatori distinti, ognuno illuminato attraverso un filtro ottico centrato intorno alle tre frequenze fondamentali. La Fig. 5 (Richard L. Weisfield- Proceeding of Amorphous Silicon Technology, Voi. 258, 1992) descrive un esempio di applicazione di tale tecnica . E’ evidente che l'area occupata da un pixel completo è necessariamente maggiore di quella occupata da tre singoli rivelatori, con una perdita della massima definizione possibile nella riproduzione finale dell' immagine.
Meno utilizzata è la seconda tecnica in cui il pixel è composto da un unico rivelatore, il quale viene illuminato, in tre istanti consecutivi, dalla luce filtrata attraverso i soliti tre filtri monocromatici. La ricostruzione del colore avviene dopo la lettura delle tre risposte del rivelatore.
La soluzione proposta con la presente invenzione non necessita di filtri ottici monocromatici, semplificando notevolmente la realizzazione della struttura. La possibilità di avere la rivelazione del colore con un unico sensore aumenta, almeno di un fattore tre la definizione dell' immagine rispetto alla prima tecnica descritta, mentre l'assenza di componenti meccanici permette tempi di lettura della intera matrice notevolmente inferiori rispetto a quelli necessari nella seconda tecnica realizzativa, facilitando la realizzazione di apparecchiature portatili.
L'invenzione viene ora descritta in base ad una versione attualmente preferita dagli Inventori e facendo riferimento alle seguenti Figure allegate:
Fig. 1- Struttura fisica dell'invenzione con il circuito equivalente dell' intero dispositivo. '
Fig.2 - Diagramma dell'assorbimento ottico per i tre colori puri dello spettro visibile.
Fig.3 - Circuito equivalente del dispositivo sotto illuminazione durante la lettura (per luce blu e verde 3a e rossa 3b)
Fig. 4 - Rappresentazione schematica della corrente fotogenerata dal dispositivo in funzione della tensione di bias applicata nelle tre condizioni di illuminazione filtrata con filtro rosso blu e verde.
Fig. 5- Esempio di un'applicazione nota della tecnica realizzativa di matrici fotosensibili utilizzanti filtri passabanda rosso, blu, e verde per la rivelazione del colore.
Relativamente alla Fig. 1, bisogna tenere presente che le dimensioni reali degli strati sono qualitativamente discussi nel testo del brevetto. Nel disegno i rapporti fra le dimensioni dei vari spessori non sono mantenuti per necessità grafiche.
Relativamente alla Fig. 3, la struttura può essere assimilata alla serie di tre componenti circuitali: due diodi contropolarizzati DI e D2 ed una struttura n-i-n funzionante da fotoresistenza (PR) variabile.
("PR" = sigla usata per comodità dagli esperti del campo: si tratta delle iniziali delle parole in lingua inglese "Photo Resistance").
A seconda della polarizzazione esterna applicata, uno o l'altro dei due diodi si comporta come generatore di corrente: nel caso di tensione negativa 3, è il diodo posteriore ad erogare corrente e dunque solo luce di colore rosso può essere rivelata; nel caso di tensione positiva 3b viene rivelata luce blu, perché il D 1 si comporta da generatore di corrente e la luce blu in D 1 è ben più assorbita di quella verde o rossa. La presenza delle strutture n-i-n permette di discriminare la luce verde.
Relativamente alla Fig. 5, gli Inventori hanno riportato nel testo una applicazione nella tecnica nota, solo a titolo di confronto con l'invenzione presentata.
Osservando la Fig. 1, il primo strato di semiconduttore c è drogato di tipo p, mentre il secondo strato è un intrinseco d. Entrambi sono molto sottili (5-10 μm ) e sono costituiti da leghe di silicio/carbonio. Queste caratteristiche sono necessarie per massimizzare l'assorbimento del colore blu nell'intrinseco d, come sarà successivamente spiegato.
Segue un terzo strato di a-Si:H drogato di tipo n (e), poi uno strato intrinseco in a-SiC:H (f) e un altro strato n in a-Si:H (g). Questi tre strati devono essere di qualche decina di nanometri. Infine, segue uno strato intrinseco molto più spesso degli altri in a-Si:H (h) e poi un ultimo strato p in a-Si:H (i). L'intrinseco indicato con "h" nella figura deve essere molto spesso e in silicio amorfo idrogenato per massimizzare l'assorbimento del colore rosso, come verrà spiegato di seguito.
L'ultimo strato è una deposizione di metallo che garantisce un buon contatto ohmico con il semiconduttore.
H funzionamento della struttura come rivelatore di luce è reso possibile dalle seguenti proprietà:
a) il silicio amorfo idrogenato è un semiconduttore a gap diretto di circa 1.72 e v.
Questo fa si' che esso abbia elevato coefficiente di assorbimento in tutto lo spettro visibile (circa da 370 μm a 700 μm). In particolare, la luce a lunghezza d'onda minore (blu) viene fortemente assorbita (lunghezza di penetrazione piccola) mentre la luce a lunghezza d'onda maggiore (rossa) è, al contrario, debolmente e quasi uniformemente assorbita, con lunghezze di penegazione tipiche anche di un micrometro. Inoltre, l'assorbimento della luce rossa (fotoni poco energetici) può essere notevolmente diminuito alzando la gap proibita del materiale, per esempio, grazie all'uso di leghe il carbonio, ovvero aumentato facendo leghe silicio/gennanio a bassa gap.
b) La struttura p-i-n-i-n-i-p può essere vista come la serie di tre componenti circuitali: un primo diodo p-i-n (DI), una fotoresistenza n-i-n (PR) e un secondo diodo n-i-p (D2) contropolarizzato rispetto al primo (vedi Fig.l). Questi tre componenti sono attraversati in successione dalla luce, che arriva dopo aver attraversato vetro e conduttore trasparente. Sulla base di quanto detto ai punti 1) e 2), il passaggio della luce può essere schematizzato nel seguente modo: la luce blu viene assorbita subito, in DI; il verde viene assorbito in DI e in PR; il rosso, infine, in DI, in PR e in D2.
La situazione ottica fin qui descritta è schematizzata in Fig.2: la freccia B indica il passaggio della componente blu, che é fortemente assorbita; la freccia G indica il verde e la freccia R indica il rosso ed è tratteggiata nelle regioni in a-SiC:H, dove è molto debolmente assorbito,
c) L'assorbimento della luce può avvenire, naturalmente, sia negli strati drogati che negli strati intrinseci. Comunque, solo gli strati intrinseci sono effidenti ai fini della raccolta di portatori fotogenerati, perché sono meno difettati e in essi la vita media degli stessi è più lunga.
Associamo, dunque, all'assorbimento dei fotoni in un intrinseco la generazione di coppie elettrone-lacuna. Si intuisce che ad una fissata energia dei fotoni, maggiore è lo spessore dell'intrinseco, maggiore è la generazione di coppie. In definitiva, con riferimento alla Fig.2, la luce blu genera portatori solo in DI, il verde in DI e in PR, il rosso, infine, genera pochissimi portatori in DI e in PR, dato lo spessore minimo dei due intrinseci ed il loro gap elevato, mentre genera molti portatori in D2, il cui strato intrinseco è decisamente più lungo ed ha gap inferiore.
A questo punto, spieghiamo perché tramite il controllo della polarizzazione esterna (Vbias) ha metallo e TCO si riesce a selezionare di volta in volta uno solo dei tre colori fondamentali. Ricordiamo che l'estrazÌone di portatori un diodo p-i-n, e quindi il passaggio della corrente su un carico esterno, è possibile solo se il diodo è polarizzato in inversa.
Per prima cosa, definiamo meglio il ruolo della resistenza PR; si tratta di una resistenza variabile, il cui valore cala al crescere dell'illuminazione. Nel caso di basso assorbimento di luce nelle PR, la corrente lungo la maglia darà luogo, ai capi della PR, ad una caduta di tensione (VPR ) proporzionale al logaritmo di tale corrente. In tal caso ai capi del diodo che sta funzionando come generatore si avrà una caduta: Vd=Vbias-Vpr (trascurando la resistenza del secondo diodo). Questo implica una limitazione alla conente erogata dal generatore, essendo dipendente da Vd esponenzialmente. Questa alterazione è particolarmente determinante quando il generatore è polarizzato appena sopra la propria soglia di funzionamento, perché in tal caso la corrente risultante sarà quasi nulla.
Se la PR è illuminata e la luce è efficientemente assorbita (caso di illuminazione con luce verde), la sua resistenza è molto bassa, la caduta di tensione Vpr ai suoi capi pure e la corrente erogata dal generatore e raccolta ai due terminali esterni non è in alcun modo limitata; al contrario, se la PR è al buio (caso di luce blu) o la luce è poco assorbita (caso di luce rossa), la sua resistenza è elevata, Vpr limita la Vd e la corrente generata risulta praticamente azzerata per valori bassi della tensione Vbias . In pratica, risulta spostata, verso valori in modulo più elevati, la tensione necessaria per rivelare la luce blu e rossa, lasciando un intervallo di tensione in cui la corrente è proporzionale alla luce verde assorbita.
L'assorbimento della luce verde equivale ad uno spostamento verso valori in modulo più bassi della soglia del diodo DI .
Si sottolinea che il valore della PR dipende, naturalmente, anche dalla intensità luminosa assorbita. Alla stessa frequenza ottica verde, la resistenza è minore per intensità incidenti maggiori. Dunque, l'effetto di spostamento della soglia della corrente inversa di DI ha luogo oltre un minimo valore dell'intensità della luce verde incidente,
Per semplicità, supponiamo che il TCO sia collegato a massa e distinguiamo tre casi: i) Vbias positiva e maggiore di qualche Volt (3-4 V), ii) Vbias di poco positiva, iii) Vbias negativa e in modulo maggiore di qualche Volt (3-4 V).
CASO i) Vbias>3 V
Il diodo DI è in inversa e si comporta come generatore della corrente dei portatori fotogenerati, mentre D2 sta in diretta e lo si può assimilare ad una bassa resistenza (vedi Fig.3a). Dunque, se nella luce incidente vi è il blu, la foto-corrente generata da DI è elevata perché in esso la generazione è elevata, mentre la foto-corrente dovuta alla luce rossa incidente è trascurabile, essendo l'assorbimento in DI trascurabile. H verso della corrente è indicato in Fig.3a.In questa situazione la n-i-n non è illuminata e quindi essa è una resistenza molto elevata. Come detto sopra, la soglia in tensione della foto-corrente sarà spostata. D'altra parte, la scelta della polarizzazione a valori (relativamente) elevati (oltre 3 V) assicura che il generatore stia erogando una corrente decisamente elevata, su cui l'effetto della n-i-n è assolutamente trascurabile. Il riconoscimento del colore blu è dunque possibile a tali valori di polarizzazione.
CASO ii) 0.5<Vbias<1.5
Questo è il caso più interessante, che risolve il fondamentale problema della rivelazione del teizo colore, mantenendo la struttura a due soli terminali. Nella discussione di questo caso, il principale protagonista è la n-i-n (PR). Trovandosi in serie ad un generatore di corrente di bassa intensità (a 0.5 V il DI è appena sopra la soglia dell' inversione) essa dà luogo ad una caduta di tensione (Vpr) proporzionale al valore della resistenza. Se la PR è illuminata e la luce è molto assorbita (caso della luce verde), la sua resistenza è molto bassa, la caduta di tensione Vpr ai suoi capi pure e la corrente erogata da DI e raccolta ai due terminali esterni non è in alcun modo limitata. Al contrario, la luce blu lascia la PR al buio e la luce rossa è poco assorbita, cosi' che per queste componenti luminose la sua resistenza sia elevata, limitando la corrente generata dal DI a valori quasi nulli.
In questo intervallo di polarizzazione, dunque la corrente che circola è dovuta essenzialmente alla luce verde.
CASO iii) Vbias<-3 V
Il diodo D2 è in inversa e si comporta come generatore della corrente dei portatori fotogenerati, mentre DI sta in diretta e lo si può assimilare ad una bassa resistenza (vedi Fig.3b). Dunque, se nella luce incidente vi è il rosso, la foto-corrente generata da D2 è elevata perché in esso la generazione è elevata, mentre la foto-corrente dovuta alla luce incidente blu è nulla, perché il blu non arriva in D2. H verso della corrente è indicato in Fig.3b. In questa situazione la n-i-n è illuminata, ma la luce è debolmente assorbita su uno spessore piccolo e quindi essa presenta una resistenza abbastanza elevata. In questo caso, la soglia in tensione della foto-corrente sarà lievemente spostata. D’altra parte, la scelta della polarizzazione a valori (relativamente) elevati (oltre 3 V negativi) assicura che il generatore stia erogando una corrente decisamente elevata, su cui l'effetto della n-i-n è assolutamente trascurabile. Il riconoscimento del colore rosso è dunque possibile a tali valori di polarizzazione.
In definitiva, si sono distinti tre intervalli di (basse) tensioni in ciascuno dei quali avviene la rivelazione selettiva di uno solo dei tre colori fondamentali dello spettro visibile: rosso, verde e blu. In Fig.4 si mostra un esempio di curva caratteristica attesa della corrente (Iph) verso la tensione Vbias. Il valore assoluto della foto-corrente generata varierà a seconda dell'intensità di ciascuna di queste tre componenti e sarà, quindi, possibile attribuire a ciascun colore un coefficiente peso.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, caratterizzato dal fatto di essere essenzialmente una struttura costituita da una opportuna sovrapposizione di strati sottili (film) preferibilmente di silicio amorfo idrogenato (a-Si:H) e sue leghe silicio/carbonio (a-SiC:H), essendo essa posta tra due elettrodi.
  2. 2. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv.1 caratterizzato dal fatto che detti strati formano in sequenza una giunzione rettificante (DI), una giunzione n-i-n (PR) ed un'altra giunzione rettificante (D2), con verso opposto alla prima (DI), il tutto tendente a formare una struttura p-i-n-i-n-i-p.
  3. 3. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv. 1 caratterizzato dal fatto che dette giunzioni (DI, PR, D2) possono esse* re ottenute mediante una struttura n-i-p-i-p-i-n.
  4. 4. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv.l caratterizzato dal fatto che detta struttura viene ottenuta, preferibilmente, con la tecnica della scarica a bagliore (Glow dischaige) per la deposizione del silicio e delle leghe con carbonio e/o germanio.
  5. 5. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che lo spessore dei vari strati (c, d, e.... i) va dimensionato per rendere ogni porzione selettiva ad una parte dello spettro visibile (luce) (Fig. 2) in particolare affinché lo strato (d) assorba luce blu, che lo strato (f) assorba luce verde e lo strato (h) assorba luce rossa.
  6. 6. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv.l, caratterizzato dal fatto che gli strati drogati (e, g) devono avere uno spessore idoneo a ridurre la penetrazione della luce blu, strato (e) e della luce verde, strato (g).
  7. 7. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv.l, caratterizzato dal fatto che la struttura del fotorivelatore è depositata su un substrato preferenzialmente di vetro (a) coperto a sua volta da un conduttore trasparente (b), per es. ossido di stagno.
  8. 8. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che la struttura del fotorivelatore può essere depositata su un substrato che può essere anche opaco e metallico: in questo caso l'elettrodo posteriore (1) deve essere realizzato mediante deposizione di un conduttore trasparente.
  9. 9. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo le Rivv. 2, 3 caratterizzato dal fatto che lo spessore degli strati e le caratteristiche elettroniche, opportunamente scelte, consentono di separare, a tensioni diverse di polarizzazione, la risposta del diodo ai vari colori.
  10. 10. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo le precedenti Rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che la struttura viene formata realizzando il contatto (b) sul substrato (a), quindi effettuando deposizioni successive di film di semiconduttore (c, d, e, f, g, h, i) ed infine depositando il contatto metallico (1).
  11. 11. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo le Rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal latto che detta struttura può essere realizzala con materiali anche diversi, purché rispondenti alle caratteristiche funzionali desiderate,
  12. 12. Fotorivelatore a spettro variabile, controllato in tensione, secondo la Riv. 1 e seguenti, caratterizzato dal fatto di poter essere impiegato soprattutto nella fabbricazione di strumentazione ottica come telecamere, telefax, ecc., ed in generale in tutti quei sistemi ove sia necessaria la ricostruzione dell'immagine.
  13. 13. Fotorivelatore a spelilo variabile, controllato in tensione, secondo tutte le Rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di poter essere realizzato in qualsiasi dimensione, anche molto grande.
ITRM940294A 1994-05-12 1994-05-12 Fotorivelatore a spettro variabile controllato in tensione, per applicazioni di rivelazione e ricostruzione di immagini bidimensionalia colori IT1272248B (it)

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