ITRM950073A1 - Rivelatore di radiazione ultravioletta in film sottile, con opzione di elevata selettivita' spettrale. - Google Patents
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Abstract
Rivelatore di radiazione ultravioletta in film sottile, con opzione di elevata selettività spettrale, costituito da una struttura posta tra due elettrodi, formata da una sovrapposizione di strati sottili (film) di semicondutture come silicio amorfo idrogenato e sue leghe con carbonio. Il dispositivo è in grado di assorbire una grande quantità di radiazione UV e di convertirla in corrente elettrica permettendo il passaggio ai fotoni di altri intervalli spettrali. La sua tecnica di deposizione ne consente la fabbricazione su substrati di tipo vetroso, plastico, metallico, ceramico, anche opaco, anche flessibile, su cui sia stato preventivamente depositato un film di materiale conduttore. Può essere fabbricato su superfici di qualsiasi dimensioni. Il suo campo di applicazione riguarda: - sistemi di rivelazione con una finestra di funzionamento nell'ultravioletto e/o una o due altre finestre in altri intervalli spettrali; - sistemi di rivelazione della radiazione ultravioletta con elevata reiezione della radiazione a più elevata lunghezza d onda. Per esempio, trova vantaggiose applicazioni nell'ambito della diagnostica clinica, analisi cliniche, astrofisica, astronomia, e altre applicazioni.
Description
DESCRIZIONE
dell'invenzione avente per titolo:
"RIVELATORE DI RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA IN FILM SOTTILE,CON OPZIONE DI ELEVATA SELETTIVITÀ' SPETTRALE”
La presente invenzione concerne un sensore che permette la rivelazione di luce ultravioletta (UV, con lunghezza d'onda λ<400 nm) con elevata reiezione della radiazione a lunghezze d'onda maggiori.
Il fotorivelatore presentato è costituito da una giunzione p<+>-n<+ >in lega di silicio-carbonio amorfo idrogenato (a-siC:H) tra due elettrodi connessi con l'esterno ed è realizzato con le già note tecnologie per i film sottili. Le temperature durante l'intero processo di fabbricazione sono tali da permetterne la realizzazione su qualsiasi substrato: vetroso, plastico, metallico. Le tecnologie utilizzate ne consentono la fabbricazione sotto forma di matrici bidimensionali di larga area ad elevata risoluzione .
L'invenzione in oggetto si colloca nel campo della rivelazione della radiazione uv e trova applicazione nel caso di rivelazione di componenti ultraviolette su un fondo indesiderato di radiazione visibile e/o infrarossa da filtrare, in cui sia necessaria un' alta risoluzione spaziale dell'immagine bidimensionale.
L’invenzione può essere utilizzata per rivelazione di fenomeni accompagnati da emissione di luce, per esempio, strumentazioni per rilevazione di dati astronomici, astrofisici; strumentazioni per il controllo di reazioni in campo chimico e biologico; spettroscopia di gas ionizzati (plasmi da fusione e plasmi da scarica elettrica; diagnostica clinica, ecc..).
Essa può essere impiegata nelle realizzazioni di:
- sistemi di rivelazione con una finestra di funzionamento nell'ultravioletto e con una o due altre finestre in altri intervalli spettrali ;
- sistemi di rivelazione della radiazione ultravioletta con elevata reiezione della radiazione a più elevata lunghezza d’onda ;
- sistemi matriciali di rivelazione nell'ultravioletto a larga area e ad elevata risoluzione.
II vero punto focale dell'invenzione risiede nella possibilità di assorbire in grande quantità la radiazione ultravioletta e convertirla in corrente elettrica, lasciando, al contrario, passare indisturbati i fotoni di altri intervalli spettrali. Nella presente invenzione l'assorbimento dell'uv è reso possibile dai seguenti accorgimenti :
- l’elettrodo frontale è una griglia metallica che offre alla luce incidente delle aree aperte attraverso cui la luce può passare;
- l'UV che passa attraverso tali aree aperte viene assorbito nello strato p<+ >e convertito in portatori di carica elettrica;
- gli elettroni fotogenerati nel p<4- >possono raggiungere l'elettrodo posteriore, attraversando l'intera struttura.
La selettività nell'ultravioletto è possibile se lo spessore del rivelatore è molto inferiore alla dimensione su cui si ha forte assorbimento della radiazione visibile e infrarossa .
Attualmente in commercio esistono alcuni tipi di rivelatori fotoelettrici per luce ultravioletta ad elevata sensibilità. Divideremo tali rivelatori di UV in due categorie: a singolo canale, per una rivelazione puntuale e a multicanale, per una rivelazione a due dimensioni. I rivelatori a singolo canale sono: i fotomoltiplicatori e i fotodiodi in silicio cristallino. Rivelatori a multicanale sono: i vettori di fotodiodi in silicio cristallino, i dispositivi ”charge-coupled~device<" >(CCD) e i ”multi-channelplates” (MCP) . I ben noti fotomoltiplicatori permettono la rivelazione della radiazione ultravioletta con elevata sensibilità e selettività rispetto al visibile, scegliendo opportunamente il materiale del catodo. L'uso dei fotomoltiplicatori però presenta numerosi svantaggi che sono superati dall’invenzione in oggetto. I fotomoltiplicatori infatti, richiedono tensioni di alimentazione tipiche superiori ai mille volts; sono tubi a vuoto, scarsamente maneggevoli ed ingombranti ed è impossibile l'integrazione di piu elementi.
I fotodiodi in silicio cristallino, presentano un' ottima efficienza nel visibile, ma possono permettere la rivelazione della radiazione ultravioletta solo dopo trattamenti meccanici ed ottici sofisticati e costosi. Essi richiedono basse tensioni di alimentazione e sono integrabili in vettori di dimensione di alcuni centimetri.
Per quanto riguarda i CCD, sono anch’essi componenti in silicio per i quali sono necessari gli stessi trattamenti per 1 ’uv. Sono rivelatori a multicanale molto sensibili, con elevati rapporti segnai e/rumore (S/N),soprattutto se lavorano a basse temperature. I CCD sono fondamentalmente dei registri analogici a scorrimento lineare: gli elettroni fotogenerati all'interno del silicio sono raccolti in una matrice di pixel che vengono poi letti sequenzialmente; si può cosi ricostruire l'immagine bidimensionale, vi sono però almeno tre grossi svantaggi dei CCD per la rivelazione dell’ultravioletto : il costo, l'impossibilità di realizzare matrici bidimensionali di larga area e la necessità di filtrare la radiazione visibile nel caso della rivelazione di componenti ultraviolette su un fondo di altra radiazione.
I Micro-Channel Platea (MCP) amplificano segnali luminosi anche molto deboli, tramite un processo di moltiplicazione a cascata. Essi sono costituiti da milioni di microscopici tubi di vetro conduttivo fusi insieme in una base a forma di disco, ai capi dei quali viene applicata una elevata differenza di potenziale (tipicamente di 1000 v) . I MCP possono funzionare come intensificat ori di immagine, oppure come contatori di fotoni, ed hanno quindi una eccellente sensibilità. Vengono trattati sia in ingresso, con la deposizione di un fotocatodo a sensibilità selettiva, che in uscita, con uno schermo di fosfori. Per le loro prestazioni elevate sia di sensibilità che di rapporto S/N, gli MCP sono usati nelle applicazioni spaziali ed in astrofisica. La commercializzazione a più largo spettro è però resa difficile dai costi elevati dovuti alla complicazione tecnologica ed alla alimentazione a 1000 v.
Rispetto ai fotorivelatori commerciali per l'UV, l'invenzione risolve i problemi di filtraggio della radiazione visibile e infrarossa di fondo, consumo di potenza elettrica, integrazione su larghe aree ed inoltre è meno costosa.
Con l'invenzione presentata viene effettuata un' operazione di ottimizzazione degli spessori e dei coefficienti di assorbimento degli strati di semiconduttore amorfo che compongono la giunzione, nonché della geometria della griglia metallica che funge da elettrodo frontale, oltre ad aumentare l'efficienza massima di rivelazione, questa ottimizzazione permette anche di accordare la banda di funzionamento del rivelatore, spostandola verso il vicino UV o verso l'UV più profondo, a seconda delle applicazioni. Infatti, era stato già dimostrato da altri ricercatori che, agendo sui parametri di deposizione, su tipo e concentrazione delle impurità nella eventuale lega con il silicio, l'assorbimento poteva essere spinto verso l'UV o verso l'infrarosso. Dunque, i parametri fisici che dovevano essere ottimizzati erano: profilo dell’assorbimento e spessore del rivelatore. Tale ottimizzazione è significativa nel controllo dei parametri di deposizione tra cui, secondo gli inventori :
- il tempo di deposizione
- la percentuale di carbonio nella lega.
L'ottimizzazione e la riproducibilità degli spessori degli strati è resa possibile dal controllo del tempo di deposizione per "Glow Discharge", fissati gli altri parametri. I coefficienti di assorbimento del silicio amorfo idrogenato dipendono invece da proprietà fondamentali del materiale, quali, appunto, l'estensione del "gap" di energia e ottico del semiconduttore, e la densità degli stati nel gap stesso. Questi ultimi, a loro volta, dipendono dai parametri di crescita in modo molto complicato, un metodo semplice e ripetibile per variare il profilo del coefficiente di assorbimento in funzione della lunghezza d'onda è quello di formare delle leghe in percentuali note di silicio/carbonio o silicio/germanio. Questo si ottiene tramite introduzione di un flusso controllato, rispettivamente, di gas di metano o di germano nella camera di deposizione. La lega risultante dal carbonio e dal silicio è un semiconduttore amorfo a gap maggiore del silicio amorfo, che penalizza l'assorbimento del visibile e dell'infrarosso rispetto all’ultravioletto.
La lega a-sic da utilizzare nel dispositivo in questione non dovrà però contenere percentuali molto elevate di carbonio rispetto al silicio, perché risulterebbe di proprietà elettroniche molto scarse.
L'invenzione viene ora descritta in base ad una versione attualmente preferita dagli inventori e facendo riferimento alle seguenti Figure allegate:
Fig.l - struttura fisica dell'invenzione:
-vista dall'alto la in cui sono visibili la griglia metallica 5 e l'elemento trasparente 6 (vetro, quarzo,ecc.) -sezione trasversale Uo in cui sono visibili gli strati sottili di semiconduttore 1,2 e 3, il conduttore trasparente 4, la griglia metallica 5 ed il vetro(o quarzo) 6 . Fig.2 - schematizzazione del profilo delle intensità luminose all'interno del dispositivo per tre lunghezze d'onda esemplari.
Fig.3 - Rappresentazione schematica della curva di efficienza quantica attesa nel caso di alta selettività.
Fig.4 - Rappresentazione schematica della curva di efficienza quantica attesa nel caso di alta sensibilità anche nel visibile.
in Fig.l è evidenziata la necessità di uno strato intermedio tra i due strati drogati p<+ >ed n<+ >di silicio amorfo, al fine di formare la giunzione rettificante. Questo strato intermedio deve essere molto poco difettato, il che si realizza, ad es., usando basso drogaggio o uno strato non drogato (intrinseco), così da formare, rispettivamente, una struttura p<+>-p<“>-n<_>-n<+ >oppure p<+>-i-n<+>. Nel caso del rivelatore a p<+>-i-n<+>, la applicazione di una polarizzazione può non essere efficace, perché la giunzione sarebbe attraversata da una rilevante corrente di buio dovuta a microscopici cortoi-circuiti che penalizzerebbero il rapporto tra fotocorrente e rumore di buio. La presenza di una rilevante corrente inversa di saturazione è tipica di diodi p-i-n- in a-si:H molto sottili e difettati. Da queste considerazioni, ci si aspetta un migliore funzionamento del dispositivo in questione, in termini di rapporto s/N, con tensioni di polarizzazioni intorno allo zero.
Relativamente alla Fig.lb, bisogna tener presente che le dimensioni reali degli strati saranno qualitativamente discusse nel testo del brevetto. Nel disegno i rapporti fra le dimensioni non sono mantenuti per necessità grafiche.
osservando la Fig. la, si nota che la radiazione luminosa penetra nel dispositivo amorfo attraverso le regioni aperte della griglia metallica e attraversa serialmente gli strati (Fig.lb): p<+>di a-siC:H; intrinseco oppure p-/n<">di asic:H; n<+ >di a-si:H. L’ordine dei vari strati costituenti il dispositivo è invertibile nel caso di utilizzo di un substrato trasparente alla luce uv, quale quarzo, fluoruro di magnesio o simili. In tal caso, la struttura diventa: substrato, griglia metallica, giunzione p<+>n<+ >con lo strato intermedio già descritto, elettrodo posteriore.
Il primo strato attivo è comunque quello p<+ >(che chiameremo strato finestra) . in base ai valori tipici dei coefficienti di assorbimento, riportati in letteratura, si trova che, in un p<+ >di a-siC:H, tutto l’ultravioletto viene assorbito essenzialmente nei primi 5 nm (Fig. 2). Questa dimensione è dello stesso ordine della lunghezza di diffusione degli elettroni (portatori minoritari) nello stesso materiale. Dunque, dimensionando lo spessore dello strato p<+ >intorno a tale valore si prevede una buona probabilità di raccolta delle coppie elettroni-lacune fotogenerate nello strato p<+ >per l'assorbimento dell'uv. spessori inferiori di materiale sono tecnologicamente sconsigliabili perché peggiorano la qualità della giunzione, mentre spessori maggiori di a-SiC:H comporterebbero una inferiore raccolta di portatori e dunque una inferiore fotocorrente. Si può pensare a spessori maggiori dello strato finestra solo con leghe di a-sic:H meno ricche di carbonio , dove la lunghezza di diffusione è maggiore, ma la trasparenza al visibile è minore (e quindi è minore la selettività).
il valore elevato di gap dello strato finestra (anche superiore a 2 ev) esalta la trasmissione della radiazione visibile che, dunque, viene trascurabilmente assorbita nello strato p<+>.
Le lacune fotogenerate nel p<+ >dalla luce uv vengono raccolte dall'elettrodo metallico a griglia. Gli elettroni fotogenerati nello strato p<+ >devono diffondere e raggiungere lo strato n<+>, dove essi sono maggioritari e quindi vengono raccolti dall'elettrodo posteriore. Nello strato intermedio gli elettroni si muovono per effetto della tensione esterna o del potenziale di contatto, avendo precisato che questo fotorivelatore può essere polarizzato o meno, a seconda della struttura scelta.
Fissando lo spessore dello strato intermedio dell'ordine di alcune decine di nanometri la probabilità di raccolta e elevata. La radiazione visibile viene assorbita nella regione intermedia, in misura tanto maggiore quanto più è spessa, con lo spessore di qualche decina di nanometri si ottiene un rilevante assorbimento della parte dello spettro visibile adiacente all'ultravioletto, quindi del blu, ( mentre il rosso sarebbe tanto debolmente assorbito da attraversare quasi indisturbato lo strato intermedio, arrivare nello strato n e sfuggire attraverso l'elettrodo ed il substrato trasparenti). La situazione è schematizzata ii» Fig. 2.
Realizzare uno strato intermedio in a-Sic:H, diminuisce l'assorbimento della radiazione visibile e contribuisce alla selettività del rivelatore.
Nello strato n<+ >di a-Si:H la raccolta di portatori fotogenerati è un evento con probabilità trascurabile. Lo strato n<+ >può quindi essere molto spesso,, senza penalizzare la selettività.
In definitiva, la selettività nella banda dell'ultravioletto è assicurata dai seguenti fattori:
- la trasparenza al visibile dello strato finestra p<+>
- il basso profilo di assorbimento del visibile anche nello strato intermedio
- il piccolo spessore dello strato intermedio.
L'elevata efficienza quantica nell'ultravioletto è assicurata dal rapporto tra area aperta e opaca nella griglia metallica, e tra spessori degli strati e lunghezze di diffusione.
Da quanto si è detto, si ottiene quindi una sensibilità del rivelatore massima nell'ultravioletto e progressivamente decrescente al crescere della lunghezza d'onda, cioè dal blu verso il rosso, con valori di efficienza insignificanti nell 'infrarosso.
chiariamo che cosa si intende per sensibilità massima nell'ultravioletto, in principio, se la lunghezza di diffusione nello strato p<+ >fosse molto maggiore del suo spessore, tutti i portatori fotogenerati nel p<+ >avrebbero elevata probabilità di contribuire alla fotocorrente, anche quelli generati proprio in superficie, ciò significa che, in principio, la sensibilità del fotorivelatore dovrebbe rimanere costante in tutta la banda dell’UV, anche nel lontano uv ed oltre.
Nella Fig. 3 è indicativamente riportata la curva attesa della efficienza quantica in unità arbitrarie per una struttura come quella riportata in Fig. 1, calcolata sulla base degli assorbimenti relativi alle varie lunghezze d'onda e dei valori tipici riportati in letteratura delle costanti di trasporto dei semiconduttori in studio.
E' possibile, con la presente invenzione, realizzare anche un fotorivelatore con risposta spettrale alta anche nella regione del visibile(cioè, tipo quella schematizzata in Fig.4).In questo caso la struttura è la seguente: p<+>-in<+>, modificata secondo i seguenti criteri:
- si deposita uno strato intrinseco in a-Si:H anziché a-SiC:H, per aumentare l'assorbimento del visibile;
- si aumenta il suo spessore fino ad alcune centinaia di nanometri, come si usa nelle celle solari, dove si intende assorbire il visibile;
- si applica un elettrodo posteriore metallico, per riflettere la radiazione ancora non assorbita e farla ripassare nello strato attivo.
La tecnica di deposizione utilizzata per il fotorivelatore in questione consente la fabbricazione su substrati di tipo vetroso, plastico, metallico, ceramico, anche opaco, anche flessibile, su cui sia stato preventivamente depositato un film di materiale conduttore. Inoltre, detta tecnica consente la fabbricazione in superfici di area qualsiasi, anche molto grande, se la macchina di deposizione è predisposta per le larghe aree. Sfruttando quindi quanto appena detto, si possono fabbricare matrici bidimensionali di larga area di tali fotorivelatori (pixel), la cui dimensione minima dipende da fattori esterni (la tecnica litografica in uso) e determina la risoluzione spaziale, si aggiunge a questo che gli spessori e profili di assorbimento degli strati possono essere ottimizzati in modo da rendere molto selettiva la finestra di funzionamento nell'ultravioletto. Inoltre, se l'elettrodo posteriore ed il substrato sono trasparenti al visibile, gran parte della radiazione trasmessa potrà uscire definitivamente dal rivelatore attraverso essi. Detti spessori e profili di assorbimento degli strati possono essere ottimizzati in modo da estendere la finestra di funzionamento nel visibile. Per un ulteriore aumento dell 'efficienza di rivelazione nel visibile , come accennato prima, si può usare un elettrodo posteriore metallico che rifletta la radiazione, facendole percorrere per la seconda volta lo strato intrinseco, tenendo presente che la rivelazione della luce può avvenire anche in assenza di polarizzazione tra i due elettrodi.
La struttura a diodo può essere allungata in una struttura a doppio diodo contropolarizzato, sempre costituita in film sottili di silicio amorfo idrogenato e sue leghe tali da presentare una seconda finestra di funzionamento in un altro intervallo spettrale. Il fotorivelatore presenta una seconda finestra di funzionamento in un intervallo di lunghezze d'onda maggiori, che può essere nell'infrarosso se il secondo diodo aggiunto è costituito in lega di silicio amorfo idrogenato con il germanio, inoltre, la struttura a diodo del fotorivelatore può essere allungata in una struttura p<+>-i-n<+>-i-n<+>-i-p<+ >( secondo gli insegnamenti della don. n<e>RM94A 000294), costituita anch'essa in film sottili di silicio amorfo idrogenato e sue leghe che presenti una seconda ed una terza finestra di funzionamento centrato a lunghezze d'onda maggiori, nelle condizioni di polarizzazione spiegate nel brevetto sopra citato.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI 1.- Fotorivelatore con finestra spettrale nell'ultravioletto (Fig. lb), caratterizzato dal fatto di essere una struttura costituita da una sovrapposizione di strati (film) sottili di semiconduttore, preferibilmente di silicio amorfo idrogenato e sue leghe (1)(2)(3) con il carbonio, posta tra due elettrodi (4)(5). 2.- Fotorivelatore secondo la Riv.1, caratterizzato dal fatto che la sua struttura forma una giunzione rettificante p<+ >n<+ >(2)(3) in a-SiC:H/a-Si:H. 3.- Fotorivelatore secondo la Riv. 1,caratterizzato dal fatto che la struttura a diodo può essere allungata in una struttura a doppio diodo contropolarizzato, sempre costituita in film sottili di silicio amorfo idrogenato e sue leghe tali da presentare una seconda finestra di funzionamento in un altro intervallo spettrale. 4.- Fotorivelatore secondo la Riv. 3,caratterizzato dal fatto che esso presenta una seconda finestra di funzionamento in un intervallo di lunghezze d'onda maggiori, che può essere nell'infrarosso se il secondo diodo aggiunto è costituito in lega di silicio amorfo idrogenato con il germanio. 5.- Fotorivelatore secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto che la struttura a diodo può essere allungata in una struttura p<+>-i-n<+>-i-n<+>-i-p<+ >(secondo gli insegnamenti della dom. n° RM 94A000294), costituita anch'essa in film sottili di silicio amorfo idrogenato e sue leghe che presenti una seconda e una terza finestra di funzionamento centrate a lunghezze d'onda maggiori, nelle condizioni di polarizzazione spiegate nel brevetto sopra citato. 6.- Fotorivelatore , secondo la Riv. 1, caratterizzato dal fatto di poter essere realizzato con materiali diversi, purché rispondenti alle caratteristiche funzionali desiderate. 7.- Fotorivelatore secondo le Riw . precedenti caratterizzato dal fatto di poter essere impiegato nella realizzazione di sistemi matriciali di rivelazione a larga area e ad elevata risoluzione.
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