ITMI20062352A1 - Struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa - Google Patents

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Federico Zaraga
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Description

Dr. Ing. Enrico Mittler
DESCRIZIONE
deirinvenzione industriale avente per titolo:
“Struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa.”
a nome: Politecnico di Milano
La presente invenzione concerne una struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa.
Sono noti nello stato della tecnica sensori fotosensibili utilizzati per macchine fotografiche digitali. In tali macchine, per mezzo di un obiettivo fotografico viene formata Γ immagine dell’oggetto in un piano dove, al posto della pellicola dei tradizionali sistemi “analogici”, è posto il sensore, ad esempio di tipo CMOS o CCD (Charge Coupled Devices), composto da una matrice di elementi fotosensibili. Il fenomeno conseguente alla illuminazione del sensore è la creazione di coppie elettrone-lacuna in quantità proporzionale al numero di fotoni incidenti su ogni elemento fotosensibile. Il rivelatore a matrice fornisce quindi una informazione relativa alla distribuzione spaziale di intensità della radiazione raccolta dall’ obiettivo. In questo modo però consentirebbe solo la generazione di una immagine “in bianco e nero” senza fornire alcuna informazione relativa al colore dell’oggetto fotografato.
La soluzione più comunemente adottata per la acquisizione di immagini a colori è quella di anteporre al sensore una maschera chiamata CFA (Color Filter Array) che abbia, in corrispondenza dei singoli pixel, un filtro colorato. Vi sono varie maschere che differiscono tra loro per la trasmissione spettrale dei filtri e per la loro distribuzione spaziale (pattern). Usualmente vengono utilizzati 3 colori: o i colori di base rosso, verde e blu (filtro RGB) o i colori
Dr. lng. Enrico Mittler
complementari ciano, magenta e giallo (CMY). La disposizione più frequentemente utilizzata è quella della maschera di Bayer (dal nome di un ricercatore della Kodak) che ha un numero doppio di filtri verdi rispetto a quelli rossi e blu. Vi è attualmente un interesse per filtri con più colori, di cui sono state proposte numerose alternative.
L’informazione sul colore acquisita con i CFA non è completa in quanto in questo modo per ogni pixel si acquisisce solo uno dei colori di base. E’ necessario ricostruire le altre informazioni relative ai colori non misurati mediante elaborazione delle informazioni ricavate dagli altri pixel adiacenti. Questa operazione di interpolazione, detta di “demosaicing”, diminuisce però la qualità dell’immagine.
Diversi sono gli inconvenienti dovuti all’utilizzo delle CFA. In fase di produzione del sensore è necessaria una fase aggiuntiva relativamente costosa del processo in cui si depositano i filtri e gli stessi i filtri sono realizzati con materiali relativamente costosi. In fase di utilizzazione sulla fotocamera la interpolazione per il calcolo del colore richiede l’esecuzione di algoritmi specifici a bordo macchina. In termini di qualità deirimmagine Γ interpolazione a volte produce artefatti nell’immagine ed approssima il colore e diminuisce la risoluzione.
Una diversa soluzione è quella di sovrapporre due o più sensori in modo da rilevare con ogni sensore solo o principalmente una parte dello spettro visibile, sfruttando la nota dipendenza del coefficiente di assorbimento dei semiconduttori dalla lunghezza d’onda.
Un sensore di elementi fotosensibili è descritto nel brevetto US 5,965,875 della Foveon. Il sensore del suddetto brevetto sfrutta le differenze Dr. Ing. Enrico Mittler
nell' assorbimento del silicio di luce di differenti lunghezze d’onda per la separazione dei colori; ciò consente di acquisire direttamente le tre informazioni di colore per ogni pixel. In questo modo non sono necessarie successive interpolazioni; ciò rende la risoluzione spaziale più elevata, paragonabile a quella di un sensore con un numero approssimativamente doppio di pixel che impieghi una maschera di filtri colorati, e rende rimmagine priva degli artefatti che possono essere generati dagli algoritmi di interpolazione. Il sensore Foveon ha una particolare struttura, equivalente a quella di tre sensori sovrapposti (in realtà è una unica struttura complessa). Il principio di funzionamento è quello di distinguere diverse regioni dello spettro utilizzando la variazione del coefficiente di assorbimento del silicio con la lunghezza d’onda della luce. Il blu viene assorbito in superficie (quindi dal primo sensore), il verde in uno strato intermedio (secondo sensore) ed il rosso più in profondità. Ognuno dei tre sensori quindi fornisce una informazione indipendente sul colore.
Il suddetto sensore presenta tuttavia degli inconvenienti dovuti alla produzione di una struttura complessa, “verticale” ed al fatto che il sensore non sarebbe producibile in un processo CMOS standard. Inoltre la complessità della struttura aumenta notevolmente se si pensa di acquisire più di tre colori.
Un altro tipo di sensore è descritto nel brevetto US 2005/0194653. Detto sensore acquisisce direttamente le informazioni sul colore della luce incidente senza l’utilizzo di filtri di assorbimento disposti sulla superficie. L’informazione sul colore è dovuta ad una disposizione verticale di almeno due giunzioni di rivelazione di cariche disposte in un substrato di silicio e che Dr. Ing. Enrico Mittler
raccolgono le cariche generate dai fotoni di diversa lunghezza d’onda in base alla diversa profondità.
Un altro tipo di sensore è descritto nel brevetto US 2004/0178464. Detto sensore comprende due pile verticali di elementi fotosensibili aventi ognuna una risposta spettrale diversa e formate su un substrato di semiconduttore. Almeno uno dei sensori comprende uno strato di materiale diverso dal silicio.
In vista dello stato della tecnica, scopo della presente invenzione è quello di fornire una struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa che sia diversa da quelle note.
In accordo alla presente invenzione, detto scopo viene raggiunto mediante una struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa, detta struttura essendo formata in un substrato di semiconduttore di un primo tipo di conduttività e detta radiazione luminosa avente almeno una lunghezza d’onda, detto substrato, colpito dalla radiazione luminosa, essendo atto a generare portatori con distribuzione diversa al variare della profondità in funzione dell’almeno una lunghezza d’onda della radiazione luminosa, detta struttura comprendendo almeno un primo ed un secondo elemento, entrambi disposti in detto substrato ed atti a raccogliere i portatori generati, detto primo e detto secondo elemento essendo entrambi atti a generare almeno primi e secondi segnali elettrici in risposta alla quantità di portatori raccolti, detta struttura comprendendo mezzi atti a generare un campo elettrico ortogonale alla superficie superiore del substrato, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriori mezzi atti a generare un campo elettrico trasversale alla struttura e parallelo alla sua superficie superiore, detti mezzi in combinazione con detti ulteriori mezzi essendo atti a generare un campo elettrico risultante tale da Dr. Ing. Enrico Mittler
determinare una distribuzione di traiettorie all’intemo del substrato per i portatori in funzione dell’almeno una lunghezza d<'>onda della radiazione luminosa incidente, dette traiettorie essendo dirette maggiormente verso detto primo elemento o verso detto secondo elemento in funzione dell’almeno una lunghezza d’onda della radiazione incidente.
Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali:
la figura 1 è uno schema della struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa in accordo alla presente invenzione;
la figura 2 è una possibile implementazione della struttura fotosensibile di figura 1 ;
la figura 3 è un diagramma delle linee equipotenziali per la struttura di figura 1 ;
la figura 4 è un diagramma della responsività spettrale della struttura di figura 1 in funzione della lunghezza d’onda.
Con riferimento alla figura 1 è mostrata una struttura fotosensibile ad una radiazione luminosa con differenti lunghezze d’onda in accordo alla presente invenzione. Nella figura 1 è mostrato il singolo pixel di un rivelatore costituito da un array bidimensionale di pixel identici. Il singolo pixel comprende un certo numero di giunzioni pn 2, o in alternativa photogates MOS, o giunzioni MS (metallo-semiconduttore) o giunzioni realizzate con altra tecnologia. Le giunzioni pn 2 sono formate su un substrato 1 di semiconduttore; le giunzioni pn possono essere formate con Dr. Ing. Enrico Mittler
impiantazioni/diffusioni di tipo n nel caso di un substrato di tipo p, oppure con impiantazioni/diffusioni di tipo p nel caso di un substrato di tipo n.
II volume utile alla generazione del segnale elettrico dovuto ai fotoni incidenti la struttura è principalmente costituito da una regione di semiconduttore 3, completamente svuotata da portatori tramite l’opportuna polarizzazione delle giunzioni o dei photogates, situata sotto la superficie superiore del semiconduttore.
Un’opportuna differenziazione delle polarizzazioni delle giunzioni o dei photogates, di natura statica e/o dinamica, consente di ottenere nel dispositivo una distribuzione di campo elettrico con significative componenti parallele alla superficie della struttura. Pertanto la struttura deve comprendere mezzi atti a generare un campo elettrico trasversale Et, cioè parallelo alla superficie del singolo pixel, che uniti ai mezzi noti nei sensori che sono atti a creare un campo elettrico Eo ortogonale alla superficie, consentono di creare un campo elettrico risultante che è inclinato di un certo angolo rispetto alla superficie della struttura. In questo modo i portatori generati dal flusso luminoso, sotto l’azione del campo elettrico, si muovono nella regione svuotata lungo traiettorie inclinate rispetto alla superficie. Posizionando alcuni elettrodi di raccolta sulla superficie superiore del sensore, i portatori generati a differente profondità da fotoni di diversa lunghezza d’onda che incidono nella stessa posizione, raggiungono la superficie secondo diverse traiettorie e quindi sono raccolti da diversi elettrodi.
Preferibilmente detti mezzi comprendono un elettrodo 9 disposto sulla superficie inferiore della struttura fotosensibile ed una pluralità 10 di elettrodi disposti sulla superficie superiore, la superficie adiacente alle giunzioni pn 2, Dr. Ing. Enrico Mittler
del singolo pixel ed aventi una polarizzazione di diverso valore. In tal modo vengono creati campi elettrici risultanti di diverso valore che conducono in superfìcie con traiettorie diverse i portatori generati dai fotoni di diversa lunghezza d’onda.
Dato che ad ogni lunghezza d’onda del fotone corrisponde un diverso colore, ad ogni elettrodo di raccolta corrisponde una diversa porzione dello spettro cromatico. Ne consegue quindi la possibilità di discriminare differenti componenti cromatiche, sulla base della ben nota dipendenza della profondità di assorbimento dei fotoni dalla lunghezza d’onda. La corrispondenza tra regione dello spettro ed elettrodo di raccolta dei portatori è semplicemente riconfigurabile cambiando lo schema di polarizzazione degli elettrodi sia staticamente che dinamicamente. Una combinazione lineare delle informazioni ottenute dalla misura dei segnali elettrici fomiti dai singoli elettrodi consente di ottenere la posizione del punto rappresentativo del colore della radiazione incidente in uno spazio RGB. Un array bidimensionale di questi pixel restituisce dunque un’immagine a colori.
Preferibilmente la pluralità 10 di elettrodi comprende un primo elettrodo 11 disposto in una posizione centrale, adiacente ad una regione centrale 21 di conduttività diversa dal substrato e polarizzato con una tensione VI, due elettrodi 12 disposti specularmene rispetto al primo elettrodo 11 ed adiacenti a due regioni 22 di conduttività diversa dal substrato e polarizzati con una tensione V2 diversa da VI, altri due elettrodi 13 disposti specularmene rispetto al primo elettrodo 11 ad una distanza maggiore degli elettrodi 12 ed adiacenti a due regioni 23 di conduttività diversa dal substrato e polarizzati con una tensione V3 tale che V3 sia diversa da VI e V2. In tal modo è
- B
Dr. Ing. Enrico Mittler
possibile realizzare un sensore RGB in cui l’elettrodo 11 rileva il colore blu, gli elettrodi 12 il colore verde e gli elettrodi 13 il colore rosso. E’ possibile aggiungere ulteriori elettrodi dotati di ulteriori tensioni di polarizzazione per rilevare una più fine suddivisione dello spettro. L'elettrodo 11 è atto a raccogliere i portatori che vengono generati fino ad una profondità Ds, gli elettrodi 12 sono atti a raccogliere i portatori generati fino ad una profondità Dt e gli elettrodi 13 sono atti a raccogliere i portatori generati fino ad una profondità Dz. Nel caso di substrato di tipo p si ha che V3>V2>V1.
Nella figura 2 è mostrata una possibile implementazione della struttura di figura 1. Detto tipo di struttura è realizzata mediante un processo CMOS.
Nella figura 3 è mostrato un diagramma delle linee equipotenziali per la struttura di figura 1. Dato che le linee di forza del campo elettrico sono sempre in direzione ortogonale alle linee equipotenziali, si ottengono le possibili traiettorie dei portatori. Le linee 31, 32 e 33 sono alcune traiettorie possibili dei portatori che vengono separati a seconda della diversa profondità di generazione.
Nella figura 4 è mostrato un diagramma della responsività spettrale della struttura di figura 1 in funzione della lunghezza d’onda λ della radiazione incidente. Le informazioni sul contenuto spettrale della radiazione incidente giungono sotto forma di segnali elettrici; a ciascun contatto, al variare del colore della luce incidente, competerà una ben determinata ampiezza del segnale in uscita, ad esempio una fotocorrente come le fotocorrenti Ib, Ig e Ir del presente diagramma.
I principali vantaggi della presente invenzione risiedono nel fatto che in termini di qualità dell’immagine per ogni pixel si hanno direttamente tre o più Dr. Ing. Enrico Mittler
informazioni indipendenti sulla composizione spettrale e non sono richiesti algoritmi di interpolazione spaziali fra pixel, ne si hanno approssimazioni e/o artefatti sulle componenti spettrali della luce incidente.
Nella fase di produzione della struttura non è necessaria una fase aggiuntiva del processo in cui si depositano i filtri colorati come neH’arte nota ed inoltre sono possibili implementazioni dell’ invenzione in una tecnologia CMOS standard, anche se sono pensabili processi specificatamente ottimizzati per questo dispositivo.
Il continuo scaling della tecnologia CMOS consentirà di discriminare un crescente numero di componenti cromatiche a parità di dimensioni del pixel.

Claims (11)

  1. Dr. Ing. Enrico Mittler RIVENDICAZIONI 1. Struttura fotosensibile al colore di una radiazione luminosa, detta struttura essendo formata in un substrato (1) di semiconduttore di un primo tipo di conduttività e detta radiazione luminosa avente almeno una lunghezza d’onda, detto substrato, colpito dalla radiazione luminosa, essendo atto a generare portatori con distribuzione diversa al variare della profondità in funzione dell’almeno una lunghezza d’onda della radiazione luminosa, detta struttura comprendendo almeno un primo (2, 10) ed un secondo elemento (2, 10), entrambi disposti in detto substrato ed atti a raccogliere i portatori generati, detto primo (2, 10) e detto secondo (2, 10) elemento essendo entrambi atti a generare almeno primi e secondi segnali elettrici (Ib, Ig, Ir) in risposta alla quantità di portatori raccolti, detta struttura comprendendo mezzi (11-13, V1-V3) atti a generare un campo elettrico (Eo) ortogonale alla superficie superiore del substrato, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriori mezzi (11-13, V1-V3) atti a generare un campo elettrico (Et) trasversale alla struttura e parallelo alla sua superficie superiore, detti mezzi (11-13, V1-V3) in combinazione con detti ulteriori mezzi (11-13, V1-V3) essendo atti a generare un campo elettrico risultante tale da determinare una distribuzione di traiettorie (31-33) airintemo del substrato per i portatori in funzione dell’almeno una lunghezza d’onda della radiazione luminosa incidente, dette traiettorie essendo dirette maggiormente verso detto primo elemento (2, 10) o verso detto secondo elemento (2, 10) in funzione dell’almeno una lunghezza d’onda della radiazione incidente.
  2. 2. Struttura secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detta radiazione luminosa ha più di una lunghezza d’onda, detto substrato (1) Dr. Ing. Enrico Mittler essendo atto a generare portatori a profondità diverse in funzione delle lunghezze d’onda della radiazione luminosa, detta struttura comprendendo almeno un primo (2, 10), un secondo (2, 10) ed un terzo (2, 10) elemento disposti in detto substrato, atti a raccogliere i portatori generati ed atti a generare rispettivi segnali elettrici (Ib, Ig, Ir) in risposta alla quantità di portatori raccolti, detti mezzi (11-13, V1-V3) in combinazione con detti ulteriori mezzi (11-13, V1-V3) essendo atti a generare un campo elettrico risultante tale da determinare traiettorie diverse (31-33) all’ interno del substrato per i portatori in funzione delle lunghezze d’onda della radiazione luminosa incidente, dette traiettorie essendo dirette verso detto primo elemento, o verso secondo o verso detto terzo elemento in funzione delle lunghezze d’onda della radiazione incidente.
  3. 3. Struttura secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detti elementi (2, 10) sono disposti in prossimità della superficie superiore del substrato.
  4. 4. Struttura secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che detti elementi (2, 10) comprendono regioni di un secondo tipo di conduttività tal da formare con il substrato giunzioni pn.
  5. 5. Struttura secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzata dal fatto che detti elementi (2, 10) comprendono photogates.
  6. 6. Struttura secondo la rivendicazione 4 in quanto dipendente dalla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un primo (11) ed un secondo (12) elettrodo disposti sulla superficie superiore di detto substrato (1) ed a contatto con una prima ed una seconda giunzione pn (2), detti primo (11) e secondo (12) elettrodo essendo polarizzati con una prima Dr. Ing. Enrico Mittler (VI) ed una seconda (V2) tensione aventi diverso valore per creare differenti differenze di potenziale fra loro e con un ulteriore elettrodo (9) disposto a contatto con la superficie inferiore del substrato e polarizzato ad una tensione di riferimento.
  7. 7. Struttura secondo la rivendicazione 6, caratterizzata dal fatto che detta seconda giunzione pn comprende due elementi disposti specularmente rispetto alla prima giunzione pn e detto secondo elettrodo (12) comprende due elettrodi separati disposti specularmente rispetto a detto primo elettrodo (11).
  8. 8. Struttura secondo la rivendicazione 4 in quanto dipendente dalla rivendicazione 2, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno un primo (11), un secondo (12) ed un terzo (13) elettrodo disposti sulla superficie superiore di detto substrato (1) ed a contatto con una prima, una seconda ed una terza giunzione pn (2), detti primo (11), secondo (12) e terzo (13) elettrodo essendo polarizzati rispettivamente con una prima (VI), una seconda (V2) ed una terza (V3) tensione aventi diverso valore per creare differenti differenze di potenziale fra loro e con un ulteriore elettrodo (9) disposto a contatto con la superficie inferiore del substrato e polarizzato ad una tensione di riferimento.
  9. 9. Struttura secondo la rivendicazione 8, caratterizzata dal fatto che detta seconda giunzione pn comprende due elementi disposti specularmente rispetto alla prima giunzione pn e detto secondo elettrodo ( 12) comprende due elettrodi separati disposti specularmente rispetto a detto primo elettrodo (11), detta terza giunzione pn comprende due elementi disposti specularmente a detta prima giunzione e detto terzo elettrodo (13) comprende due elettrodi separati disposti specularmente rispetto a detto primo elettrodo (11) ma a Dr. Ing. Enrico Mittler distanza diversa dai due elettrodi del secondo elettrodo (12).
  10. 10. Struttura secondo la rivendicazione 9, caratterizzata dal fatto che detto substrato di semiconduttore (1) è di tipo p e detta terza tensione (V3) ha un valore maggiore di detta seconda tensione (V2) e detta seconda tensione (V2) ha un valore maggiore rispetto a detta prima tensione (VI).
  11. 11. Array bidimensionale di una pluralità di strutture fotosensibili al colore di una radiazione luminosa come definite nelle rivendicazioni da 1 a 10. ìttler
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