DE3533146A1 - Farbsensorelement, farbempfindliche sensoranordnung mit derartigen farbsensorelementen, eine anwendung des elements oder der anordnung und ein verfahren zur herstellung eines halbleitermaterials fuer das farbsensorelement - Google Patents

Farbsensorelement, farbempfindliche sensoranordnung mit derartigen farbsensorelementen, eine anwendung des elements oder der anordnung und ein verfahren zur herstellung eines halbleitermaterials fuer das farbsensorelement

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DE3533146A1 DE19853533146 DE3533146A DE3533146A1 DE 3533146 A1 DE3533146 A1 DE 3533146A1 DE 19853533146 DE19853533146 DE 19853533146 DE 3533146 A DE3533146 A DE 3533146A DE 3533146 A1 DE3533146 A1 DE 3533146A1
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Farbsortiment nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, farbempfindliche Sensoranordnung mit solchen Farbsensorelementen, die Anwendung eines solchen Elements oder einer solcher Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial für ein solches Element oder eine solche Anordnung.
Bislang bestehen Farbsensoren aus einem Array von Detektoren, von denen jeder mit einem bestimmten Farbfilter abgedeckt ist, oder es werden statt Farbfiltern optische Strahlteiler, beispielsweise Prismen, verwendet, die das reflektierte Licht der beleuchteten Körper nach Farben getrennt auf die einzelnen Detektoren lenken. Man ist also bisher darauf angewiesen, mindestens drei räumlich getrennte Detektoren für die Basisfarben rot, grün und blau zu verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Farbsensorelement der genannten Art anzugeben, bei dem die räumliche Aufteilung der den verschiedenen Farben zugeordneten Detektoren entfällt.
Diese Aufgabe wird gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Detektoren aus mehreren übereinander angeordneten, unterschiedlich farbempfindlichen Detektoren bestehen.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines derartigen Sensorelements ist gemäß Anspruch 2 so ausgebildet, daß die Detektoren aus übereinander angeordneten amorphen Halbleiterschichten mit unterschiedlichen Bandabständen gebildet sind.
Durch das erfindungsgemäße Sensorelement, insbesondere durch das Sensorelement nach Anspruch 2, wird eine Vereinfachung der optischen Abbildung in dem aus derartigen Elementen aufgebauten Sensorkopf erreicht.
Ein technologisches Problem bisheriger optischer Sensoren bestand in deren homogener Ausleuchtung mit reflektiertem Licht. Bisher wurden dazu zum Teil sehr aufwendige optische Abbildungs- bzw. Strahlteilersysteme benutzt. Besondere Schwierigkeiten bezüglich der homogenen Ausleuchtung machte dabei auch die räumliche Ausdehnung der Sensorköpfe von 5 bis 10 cm oder mehr, von denen das vom Objekt reflektierte Licht aufgenommen und verarbeitet wird. Mit dem erfindungsgemäßen Sensorelement läßt sich die räumliche Ausdehnung der Sensorköpfe verkleinern und dadurch auch eine höhere Abtastgeschwindigkeit erreichen.
Das erfindungsgemäße Sensorelement, insbesondere das Element nach Anspruch 2 ist im Hinblick auf die Produktionsüberwachung durch den Menschen interessant. Diese ist bei sich ständig wiederholenden gleichartigen Tätigkeiten, wie aussortieren, depalettieren usw. eine äußerst ermüdende Tätigkeit. Damit verbunden ist eine Fehlerquote, die im Verlauf längere Arbeitsabschnitte stark ansteigt. Demgemäß werden bei entsprechenden Herstellungsabläufen in stark zunehmendem Maße Sensorsysteme zur automatischen Erkennung von Farbe oder Formmustern eingesetzt. Die relativ hohen Kosten solcher System standen bisher einem vielfältigen Einsatz noch entgegen.
Das erfindungsgemäße Farbsensorlement dient sonach auch der Lösung des soeben beschriebenen technologischen wie auch wirtschaftlichen Problems.
Das Sensorelement nach Anspruch 2 hat darüber hinaus den Vorteil, daß die übereinanderliegenden Schichten gerade durch die Verwendung von amorphen Halbleitermaterial frei von der Notwendigkeit der Anpassung der Kristallgitter sind, wie sie bei kristallinen Halbleitern besteht.
Das aus amorphen Halbleiterschichten gebildete Sensorelement ist zweckmäßigerweise nach Anspruch 3 so ausgebildet, daß die amorphen Halbleiterschichten aus einem Grundmaterial bestehen und daß eine Schicht mit einem vom Bandabstand des Grundmaterials verschiedenen Bandabstand ein dem Grundmaterial beigemischtes Additiv aufweist. Durch die Zumischung von Additiven zum jeweils gewählten Grundmaterial entsteht ein neues Halbleitermaterial mit verändertem Bandabstand. Wird beispielsweise zu amorphem Silizium amorphes Germanium gemischt, entsteht das neue Halbleitermaterial a-Si x Ge1-x mit verändertem Bandabstand.
Ein Additiv besteht bevorzugterweise gemäß Anspruch 4 aus Germanium, Kohlenstoff, Stickstoff oder/und Zinn. Bei Verwendung von Si als Grundmaterial können mit diesen Additiven drei unterschiedliche farbempfindliche Halbleiterschichten für die drei Basisfarben blau, grün und rot gebildet werden.
Für die Ausbildung von guten fotoelektrischen Eigenschaften des amorphen Halbleitermaterials, insbesondere des aus einem Grundmaterial mit beigemischtem Additiv bestehenden Halbleitermaterials sind vorteilhafterweise gemäß Anspruch 5 Defektzustände im amorphen Halbleitermaterial durch Stoffeinbau abgesättigt. Bevorzugterweise sind nach Anspruch 6 die Defektzustände durch Wasserstoff- oder Halogeneinbau abgesättigt.
Zur Feldererzeugung und Ladungsträgertrennung in amorphen Halbleiterdioden stellt die pin-Struktur die technologisch beste Möglichkeit dar. Sie ist bereits mit relativ hohem Fotostrom, d. h. mit geringen Verlusten, realisierbar. Demgemäß ist ein mit amorphen Halbleiterschichten aufgebautes erfindungsgemäßes Sensorelement vorteilhafterweise nach Anspruch 7 so ausgebildet, daß die Detektoren Dioden mit pin-Struktur aufweisen, die in den amorphen Halbleiterschichten ausgebildet sind.
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen eines mit amorphen Halbleiterschichten aufgebauten Farbsensorelements gehen aus den Ansprüchen 8 bis 21 hervor.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil eines mit amorphen Halbleiterschichten aufgebauten erfindungsgemäßen Sensorelements liegt darin, daß die Möglichkeit der Herstellung von Dünnfilm-Transistoren aus dem gleichen amorphen Halbleitermaterial wie die Halbleiterschichten besteht. Es sind dadurch ganze Schaltungen in Dünnfilmtechnik realisierbar. Danach lassen sich eine solche Dünnfilmschaltung mit erfindungsgemäßen Sensorelementen auf dem gleichen Substrat realisieren, und demgemäß ist eine vorteilhafte farbempfindliche Sensoranordnung mit einem oder mehreren erfindungsgemäßen Sensorelementen nach Anspruch 23 so ausgebildet, daß die Sensorelemente zusammen mit einer Dünnfilm-Transistoren aus dem gleichen amorphen Halbleitermaterial aufweisenden Schaltung in Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat aufgebracht sind. Die Schaltung kann gemäß Anspruch 23 eine Auswertelogik für die Sensorelemente aufweisen.
Ein erfindungsgemäßes Sensorelement oder eine erfindungsgemäße Sensoranordnung ist vorteilhafterweise in Halbleiterkameras anwendbar (Anspruch 24) und ermöglicht den Bau von Kameras geringer Größe.
Zur Herstellung amorpher Halbleiterschichten eignen sich besonders die Zersetzung von SiH4, CH4, C2H2, GeH4 oder Sn(CH3)4 (Anspruch 25) und anderer gasförmiger Verbindungen in der Glimmentladung. Aber auch gesputtertes oder aufgedampftes amorphes Halbleitermaterial kann verwendet werden, wenn die Defektzustände mit einem Zusatzstoff, z. B. Wasserstoff, abgesättigt werden (Ansprüche 26 und 27).
Die Erfindung wird anhand der Figuren in der folgenden Beschreibung beispielhaft erläutert. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 ein System aus drei aneinandergrenzenden amorphen Halbleiterschichten unterschiedlichen Bandabstandes,
Fig. 2 den normierten spektralen Wirkungsgrad Q der einzelnen Schichten nach Fig. 1 in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Fig. 3 den Aufbau eines aus drei amorphen Halbleiterdioden in pin-Struktur gebildeten Sensorelements,
Fig. 4 eine vorteilhafte Varinate des Sensorelements nach Fig. 3, und
Fig. 5 in Draufsicht und in Seitenansicht eine farbempfindliche Sensoranordnung, bei der die Sensorelemente zusammen mit einer Schaltung in Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat aufgebracht sind.
In der Fig. 1 sind drei Schichten 1 bis 3 aus amorphem Halbleitermaterial vertikal verlaufend und nebeneinander dargestellt. Die Schicht 1 besteht aus a-Si x C1-x:H, die Schicht 2 aus a-Si:H und die Schicht 3 ausa-Si x Ge1-x:H.
In jeder Schicht ist das zugeordnete Leitungsband E C , das Valenzband E V und das gemeinsame Niveau E F der Fermienergie eingetragen. Der Bandabstand zwischen dem Leitungsband E C und dem Valenzband E V ist für die Schicht 1 mit E, für die Schicht 2 mit E G und für die Schicht 3 mit E bezeichnet.
Wie schon angedeutet, besteht die Schicht 2 aus dem Grundmaterial Si, dessen Defektzustände mit Wasserstoff abgesättigt sind, d. h. aus a-Si:H. Der Bandabstand E G für dieses Material mit guten Fotoleitungseigenschaften liegt je nach H-Gehalt bei 1,5 EV bis 1,8 EV.
Für das Material a-Si1-xC1-x:H der Schicht 1 kann der Bandabstand E im Bereich von 0 ≦ωτ x ≦ωτ 1 von 2,8 eV bis 1,7 eV, für das Material a-Si x Ge1-x:Hder Schicht 3 von 1,0 eV bis 1,8 eV variiert werden. Damit ist es möglich, die Bandabstände E, E G und E der Schichten 1, 2 und 3 beispielsweise den Basisfarben blau, grün bzw. rot anzupassen.
Für a-Si x N1-x:H kann der Bandabstand von 1,7 eV bis 5,5 eV und für a-SixSn1-x:H von 1,1 eV bis 1,7 eV varriert werden. Damit läßt sich auch mit diesen Stoffen zur Anpassung an beispielsweise die Basisfarben blau, grün und rot arbeiten.
Die Fig. 2 zeigt den normierten spektralen Wirkungsgrad Q für die drei Schichten 1 bis 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ. Die Wirkungsgradkurve B ist der Schicht 1 und der Basisfarbe blau, die Kurve G der Schicht 2 und der Basisfarbe grün, und die Kurve R der Schicht 3 und der Basisfarbe rot zugeordnet.
Das Sensorelement nach Fig. 3 besteht aus drei übereinander angeordneten Detektoren D1, D2 und D3 für die Farben blau, grün bzw. rot. Jeder dieser Detektoren weist eine Diode mit pin-Struktur auf, die in einer amorphen Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3 nach Fig. 1 ausgebildet ist. Entsprechend Fig. 1 nehmen die Bandabstände E, E G bzw. E der amorphen Schichten 1, 2 bzw. 3 in Lichteinfallsrichtung R ab.
Die einzelnen Detektoren D 1, D 2 und D 3 sind auf getrennten Substraten 13, 23 bzw. 33 aufgebracht, die auf der von der Seite des Lichteinfalls abgekehrten Seite der betreffenden Halbleiterschicht angeordnet sind und aus transparentem Glas bestehen.
Zwischen der amorphen Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3 jedes Detektors D 1, D 2 und D 3 und dem zugeordneten Substrat 13, 23 bzw. 33 ist eine Elektrodenschicht 12, 22 bzw. 32 aus elektrisch leitendem Material angeordnet, wobei die Elektrodenschichten 12 und 22 aus transparentem leitfähigem Material, wie beispielsweise aus Indiumzinnoxid oder dotiertem Zinnoxid, beispielsweise SnO2:F besteht, während die Elektrodenschicht zweckmäßigerweise aus einem Metallfilm besteht. Dieser bietet Schutz vor Fremdlichteinfall von der Rückseite, weist eine bessere Leitfähigkeit auf als die Schichten aus transparentem leitfähigem Material bzw. TCO-Material und ermöglicht außerdem eine erhöhte Rotempfindlichkeit bei Metallen mit hoher Reflektivität im roten Spektralbereich, wie beispielsweise Silber.
Das Substrat 33 mit der Schicht 32 können vorteilhafterweise auch in Form eines Metallblechs zusammengefaßt sein.
Auf der Lichteinfallsseite der amorphen Halbleiterschichten 1, 2 bzw. 3 jedes Detektores D 1, D 2 bzw. D 3 sind ebenfalls Elektrodenschichten 11, 21 bzw. 31 aus transparentem leitfähigen Material aufgebracht.
Die pin-Struktur der Diode jedes Detektors D 1, D 2 bzw. D 3 ist in der betreffenden Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3 ausgebildet. Sie besteht jeweils aus einer n-leitenden Teilschicht n an der Oberfläche der betreffenden Schicht auf der Lichteinfallsseite, aus einer p-leitenden Teilschicht p an der gegenüberliegenden Oberfläche und aus einer die beiden Teilschichten n und p trennenden eigenleitenden Zwischenschicht i.
Die elektrisch leitenden Schichten 11, 12, 21, 22 bzw. 31 und 32 sind kontaktierbar.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Detektoren D 1, D 2 und D 3 auf einem gemeinsamen Substrat 34 gestapelt. Sie sind durch zwischen den leitfähigen Schichten 12 und 21 sowie 22 und 31 angeordneten galvanischen Trennschichten bzw. Schichten 14 bzw. 15 aus elektrisch isolierendem Material voneinander getrennt, die aus amorphem Siliziumdioxid oder -nitrid bestehen können. Das gemeinsame Substrat 34 besteht vorzugsweise aus Glas und die amorphe Halbleiterschicht 1, 2 bzw. 3 jedes Detektors D 1, D 2 bzw. D 3 deckt die in Lichteinfallsrichtung unmittelbar folgende angrenzende leitfähige transparente Schicht 12, 22 bzw. 32 nur teilweise ab, so daß eine Kontaktfläche zum Kontaktieren freibleibt.
Der auf der Lichteinfallsseite liegende oberste Detektor D1 ist mit einer transparenten Schutzabdeckung 35, beispielsweise aus Glas, teilweise abgedeckt.
Bei der in Fig. 5 dargestellten farbempfindlichen Sensoranordnung mit einem oder mehreren Sensorelementen S nach Fig. 4 oder 5 sind die Sensorelemente S zusammen mit einer Dünnfilm-Transistoren aus dem gleichen amorphen Halbleitermaterial aufweisenden Schaltung L in Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat 34 aufgebracht. Die Schaltung L kann eine Auswertelogik für die Sensorelemente S aufweisen. Der Gesamtaufbau einer solchen voll integrierten farbempfindlichen Sensoranordnung nimmt nur eine Baugröße von wenigen Quadratzentimetern einer Glasplatte ein.

Claims (27)

1. Farbsensorelement, bestehend aus mehreren, verschiedenen Farben zugeordneten Detektoren (D 1, D 2, D 3), dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren aus mehreren, übereinander angeordneten, unterschiedlich farbempfindlichen Detektoren bestehen.
2. Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (D 1, D 2, D 3) aus übereinander angeordneten amorphen Halbleiterschichten (1, 2, 3) mit unterschiedlichen Bandständen E, E G , E) gebildet sind.
3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphen Halbleiterschichten (1, 2, 3) aus einem Grundmaterial bestehen, und daß eine Schicht mit einem vom Bandabstand des Grundmaterials (E G ) verschiedenen Bandabstand (E, E) ein dem Grundmaterial beigemischtes Additiv aufweist.
4. Element nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Additiv aus Germanium (Ge), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N) oder/und Zinn (Sn) besteht.
5. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Defektzustände im amorphen Halbleitermaterial durch Stoffeinbau abgesättigt sind.
6. Element nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Defektzustände durch Wasserstoff- oder Halogeneinbau abgesättigt sind.
7. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (D 1, D 2, D 3) Dioden mit pin-Struktur aufweisen, die in den amorphen Halbleiterschichten (1, 2, 3) ausgebildet sind.
8. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 7, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandabstände (E, E G , E) in den amorphen Schichten (1, 2, 3) in Lichteinfallsrichtung (R) abnehmen.
9. Element nach einem der Ansprüche 2 bis 8, insbesondere nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Halbleiterschicht (1, 2, 3) jedes Detektors (D 1, D 2, D 3) zwischen zwei angrenzenden, leitfähigen, kontaktierbaren Schichten (11, 12; 21, 22; 31, 32) angeordnet und in dieser Form auf einem Substrat (13, 23, 33; 34) befestigt ist, wobei alle in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgenden leitfähigen Schichten (11, 12, 21, 22, 31, 32), allenfalls mit Ausnahme der letzten Schicht (32) aus transparentem Material bestehen.
10. Element nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine leitfähige transparente Schicht (11, 12, 21, 22, 31, 32) aus Indiumzinnoxid oder aus dotiertem Zinnoxid besteht.
11. Element nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Schicht (32) der in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgenden leitfähigen Schichten (11, 12, 21, 22, 31, 32) aus einer lichtundurchlässigen Metallschicht besteht.
12. Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (32) aus Silber besteht.
13. Element nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht aus einem Metallblech besteht, das zugleich das Substrat für den oder die darüberliegenden Detektoren (D 1, D 2, D 3) bildet.
14. Element nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Detektoren (D 1, D 2, D 3) auf getrennten Substraten (13, 23, 33) aufgebracht sind, wobei alle in Lichteinfallsrichtung aufeinanderfolgenden Substrate (13, 23, 33), allenfalls mit Ausnahme des letzten Substrats (33), aus transparentem Material bestehen.
15. Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein transparentes Substrat (13, 23, 33) aus Glas besteht.
16. Element nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (D 1, D 2, D 3) auf einem gemeinsamen Substrat (34) aufgestapelt sind.
17. Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (D 1, D 2, D 3) durch zwischen leitfähigen transparenten Schichten (12, 21; 22, 31) angeordneten Schichten (14, 15) aus elektrisch isolierendem Material voneinander getrennt sind.
18. Element nach Anspruch 16 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das gemeinsame Substrat (34) aus Glas besteht.
19. Element nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die amorphe Halbleiterschicht (1, 2, 3) jedes Detektors (D 1, D 2, D 3) die in Lichteinfallsrichtung unmittelbar folgende angrenzende leitfähige Schicht (12, 22, 32) nur teilweise abdeckt, so daß eine Kontaktfläche freibleibt.
20. Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordneten Detektoren (D 1, D 2, D 3) auf der Lichteinfallsseite mit einer transparenten Schutzabdeckung (35) zumindest teilweise abgedeckt sind.
21. Element nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzabdeckung (35) aus Glas besteht.
22. Farbempfindliche Sensoranordnung mit einem oder mehreren Sensorelementen nach einem der Ansprüche 2 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (S) zusammen mit einer Dünnfilm- Transistoren aus dem gleichen amorphen Halbleitermaterial aufweisenden Schaltung (L) in Dünnfilmtechnik auf dem gleichen Substrat (34) aufgebracht sind.
23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (L) eine Auswertelogik für die Sensorelemente (S) aufweist.
24. Anwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 20 oder einer Sensoranordnung nach Anspruch 21 oder 22 in einer Halbleiterkamera für Farbbilder.
25. Verfahren zur Herstellung von amorphem Halbleitermaterial, insbesondere für ein Sensorelement nach einem der Ansprüche 2 bis 21 oder einer Sensoranordnung nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch die Zersetzung von SiH4, CH4, C2H2, GeH4 oder Sn(CH3)4 in der Glimmentladung.
26. Verfahren zur Herstellung von amorphen Halbleiterschichten, insbesondere für ein Sensorelement nach einem der Ansprüche 2 bis 21 oder einer Sensoranordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß amorphes Halbleitermaterial aufgesputtert oder -gedampft und Defektzustände mit einem Zusatzstoff abgesättigt werden.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß Defektzustände mit Wasserstoff abgesättigt werden.
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