ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2022-22-5-903-911ntv-74Research ArticleНОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИMATERIAL SCIENCE AND NANOTECHNOLOGIESИсследование оптических явлений в мультиспектральном матричном фотоприемнике на основе кремнияInvestigation of optical phenomena in multispectral matrix photodetector based on siliconhttps://orcid.org/0000-0001-7597-0675ЖбановаВ. Л.ZhbanovaV. L.

Жбанова Вера Леонидовна — кандидат технических наук, доцент, доцент

г. Смоленск, 214013

Vera L. Zhbanova — PhD, Associate Professor, Associate Professor

Smolensk, 214013

sc 57190029669

Vera-zhbanova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7219-652XПарвулюсовЮ. Б.ParvulusovYu. B.

Парвулюсов Юрий Борисович — кандидат технических наук, профессор, заслуженный геодезист

Москва, 105064

Yurij B. Parvulusov — PhD, Professor, Honored Geodesist

Moscow, 105064

parvulusov@miigaik.ruФилиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. СмоленскеРоссияThe Branch of National Research University “Moscow Power Engineering Institute” in SmolenskRussian FederationМосковский государственный университет геодезии и картографииРоссияMoscow State University of Geodesy and CartographyRussian Federation202212122024225903911Copyright © Жбанова В.Л., Парвулюсов Ю.Б., 20242024Жбанова В.Л., Парвулюсов Ю.Б.Zhbanova V.L., Parvulusov Y.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/74Предмет исследования

Предмет исследования. Представлено исследование в области разработки и создания модернизированных мультиспектральных систем цветоделения многослойного типа, обладающих повышенным цветовым разрешением. Рассмотрены виды структур разработанных шаблонов матричных фотоприемников на основе многослойного кремния с рабочими слоями для применения в синем, зеленом, красном и инфракрасном диапазонах спектра.

Метод

Метод. Предложена методика расчетов слоев кремния в виде оптических пленок с заданными характеристиками. Слои кремния выполняют функции как чувствительного элемента, так и фильтра определенной длины волны для выделения синиего, зеленого, красного и инфракрасного диапазонов спектра. Выполнен расчет коэффициентов отражения и пропускания для выбранных длин волн при различных углах падения на сенсор. Рассчитан угол Брюстера для этих длин волн. Учтено возможное наличие поверхности сенсора микролинзы. Представлены расчеты для ячеек с четырехслойной и двухслойной структурами при различных комбинациях слоев.

Основные результаты

Основные результаты. Получены зависимости коэффициентов отражения и пропускания для двухслойных и четырехслойных структур полупроводниковых сенсоров для p- и s-поляризации, также для неполяризованного света. Показано, что минимальным коэффициентом отражения и максимальным коэффициентом пропускания обладает сочетание слоев красного и инфракрасного диапазонов спектра.

Практическая значимость

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при разработке многослойных мультиспектральных систем с регистрацией инфракрасного излучения. В результате возможно применение пары красного и инфракрасного спектров в качестве основы шаблона матричного фотоприемника, а слои синего и зеленого спектров как вспомогательные для построения полноцветного изображения.

A study is presented in the field of development and creation of modernized multi-layer color separation multispectral systems with increased color resolution. The types of structures of the developed patterns of matrix photodetectors based on multilayer silicon with working layers for use in the blue, green, red and infrared spectral ranges are considered. A method for calculating silicon layers in the form of optical films with specified characteristics is proposed. The silicon layers act as both a sensing element and a specific wavelength filter to highlight the blue, green, red and infrared ranges of the spectrum. The reflection and transmission coefficients were calculated for the selected wavelengths at various angles of incidence on the sensor. The Brewster angle for these wavelengths is also calculated. The possible presence of a microlens sensor surface is taken into account. Calculations are presented for cells with four-layer and two-layer structures for various combinations of layers. The dependences of the reflection and transmission coefficients for two-layer and four-layer structures of semiconductor sensors for p- and s-polarization, also for unpolarized light, are obtained. It is shown that the combination of layers in the red and infrared ranges of the spectra has the minimum reflection coefficient and the maximum transmission coefficient. The results obtained can be used in the development of multilayer multispectral systems with registration of infrared radiation. As a result, it is possible to use a pair of red and infrared spectra as the basis of a matrix photodetector pattern, and layers of blue and green spectra as auxiliary ones for building a full-color image.

фотоприемникинфракрасныйсенсортонкие пленкимногослойныйкремнийпотенциальная ямаотражениепропусканиеphotodetectorinfraredsensorthin filmsmultilayersiliconpotential wellreflectiontransmissionИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 21-79-00012, https://rscf.ru/ project/21-79-00012/The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation № 21-79-00012, https:// rscf.ru/en/project/21-79-00012/ReferencesАндрианов В.П., Базаров Ю.Б., Губачев А.В., Дулин О.Н., Елгаёнков А.Е., Каменев В.Г., Кузин В.М., Литвинова М.С., Лобастов С.А., Туркин В.Н., Шубин А.С. Цифровой фотохронографический регистратор для исследования быстропротекающих процессов // Физика горения и взрыва. 2018. Т. 54. № 5. С. 117– 121. https://doi.org/10.15372/FGV20180516.Andrianov V.P., Dulin O.N., Kamenev V.G., Kuzin V.M., Turkin V.N., Shubin A.S., Bazarov Y.B., Gubachev A.V., Elgaenkov A.E., Litvinova M.S., Lobastov S.A. Rotating mirror digital streak camera for investigation of fast processes. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 2018, vol. 54, no. 5, pp. 618–623. https://doi.org/10.1134/S0010508218050167Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения. М.: Университетская книга, Логос, 2007. 192 с.Tarasov V.V., Iakushenkov Iu.G. Dual- and Multiband OptoElectronic Systems with Matrix Radiation Receivers. Moscow, Universitetskaja kniga, Logos Publ., 2007, 192 p. (in Russian)Zhbanova V.L. Features of digital colourimetry application in modern scientific research // Light & Engineering. 2021. V. 29. N 3. P. 146– 158. https://doi.org/10.33383/2021-028Zhbanova V.L. Features of digital colourimetry application in modern scientific research. Light & Engineering, 2021, vol. 29, no. 3, pp. 146–158. https://doi.org/10.33383/2021-028Айнбунд М.Р., Егоренков А.А., Пашук А.В. Особенности изображений воды, льда, снега, предметов и человека, формируемых гибридной телевизионной камерой в ближнем инфракрасном диапазоне // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21. № 5. С. 619–625. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-5-619-625Ainbund M.R., Egorenkov A.A., Pashuk A.V. Features of images of water, ice, snow, objects and a human formed by a hybrid television camera in the near-infrared range. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2021, vol. 21, no. 5, pp. 619–625. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2021-21-5-619-625Nonaka Y., Yoshida D., Kitamura S., Yokota T., Hasegawa M., Ootsu K. Monocular color-IR imaging system applicable for various light environments // Proc. of the 2018 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE). 2018. P. 1–5. https://doi.org/10.1109/ICCE.2018.8326238Nonaka Y., Yoshida D., Kitamura S., Yokota T., Hasegawa M., Ootsu K. Monocular color-IR imaging system applicable for various light environments. Proc. of the 2018 IEEE International Conference on Consumer Electronics (ICCE), 2018, pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/ICCE.2018.8326238Stotko P., Weinmann M., Klein R. Albedo estimation for real-time 3D reconstruction using RGB-D and IR data // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2019. V. 150. P. 213–225. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2019.01.018Stotko P., Weinmann M., Klein R. Albedo estimation for real-time 3D reconstruction using RGB-D and IR data. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2019, vol. 150, pp. 213–225. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2019.01.018Siekański P., Paśko S., Malowany K., Malesa M. Online correction of the mutual miscalibration of multimodal VIS-IR sensors and 3D Data on a UAV platform for surveillance applications // Remote Sensing. 2019. V. 11. N 21. P.2469. https://doi.org/10.3390/rs11212469Siekański P., Paśko S., Malowany K., Malesa M. Online correction of the mutual miscalibration of multimodal VIS-IR sensors and 3D Data on a UAV platform for surveillance applications. Remote Sensing, 2019, vol. 11, no. 21, pp. 2469. https://doi.org/10.3390/rs11212469Choe G., Park J., Tai Y.-W., Kweon I. Refining geometry from depth sensors using ir shading images // International Journal of Computer Vision. 2017. V. 122. N 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1007/s11263-016-0937-yChoe G., Park J., Tai Y.-W., Kweon I. Refining geometry from depth sensors using ir shading images. International. Journal of Computer Vision, 2017, vol. 122, no. 1, pp. 1–16. https://doi.org/10.1007/s11263-016-0937-yГригорьев Л.В. Кремниевая фотоника. СПб.: Университет ИТМО, 2016. 94 с.Grigorev L.V. Silicon Photonics. St. Petersburg, 2016, 94 p. (in Russian)Лизункова Д.А. Исследование электрических и оптических свойств фоточувствительных структур на наноструктурированном кремнии: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Самара, 2018. 150 с.Lizunkova D.A. Electrical and optical properties investigation of photosensitive structures on nanostructured silicon. Dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences. Samara, 2018, 150 p. (in Russian)Хенкин М.В. Электрические, фотоэлектрические и оптические свойства двухфазных пленок гидрогенезированного кремния: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. М., 2015.Khenkin M.V. Electrical, photoelectric and optical properties of twophase films of hydrogenated silicon. Dissertation for the degree of candidate of physical and mathematical sciences. Moscow, 2015. (in Russian)Овсюк В.Н., Сидоров Ю.Г., Васильев В.В., Шашкин В.В. Матричные фотоприемники 128 × 128 на основе слоев HgCdTe и многослойных гетероструктур с квантовыми ямами GaAs/AlGaAs // Физика и техника полупроводников. 2001. Т. 35. № 9. С. 1159–1166.Ovsyuk V.N., Sidorov Yu.G., Vasil’ev V.V., Shashkin V.V. Arrays of 128 × 128 photodetectors based on hgcdte layers and multilayer heterostructures with GaAs/AlGaAs quantum wells. Semiconductors, 2001, vol. 35, no. 9, pp. 1110–1116. https://doi.org/10.1134/1.1403577Rieve P., Walder M., Seibel K., Prima J., Mirhamed A. TFA image sensor with stability-optimized photodiode. Patent US7701023. 2010.Rieve P., Walder M., Seibel K., Prima J., Mirhamed A. TFA image sensor with stability-optimized photodiode. Patent US7701023, 2010.Merrill R.B. Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure. Patent US5965875. 1999.Merrill R.B. Color separation in an active pixel cell imaging array using a triple-well structure. Patent US5965875, 1999.Lyon R.F., Hubel P.M. Eyeing the Camera: into the Next Century // IS&T Reporter “The window on imaging”. 2002. V. 17. N 6.Lyon R.F., Hubel P.M. Eyeing the Camera: into the Next Century. IS&T Reporter “The window on imaging”, 2002, vol. 17, no. 6.Gehrke R., Greiwe A. Multispectral image capturing with Foveon sensors // ISPRS – International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences. 2013. V. 40. N 1/ W2(1). P. 151–156. https://doi.org/10.5194/isprsarchives-XL-1-W2-151-2013Gehrke R., Greiwe A. Multispectral image capturing with Foveon sensors. ISPRS — International Archives of the Photogrammetry Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2013, vol. 40, no. 1/W2, pp. 151–156. https://doi.org/10.5194/isprsarchives-XL-1-W2-151-2013Zhbanova V.L., Parvulyusov Yu.B., Solomatin V.A. Multispectral matrix silicon photodetectors with the IR range registration // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1679. N 2. P. 022039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/2/022039Zhbanova V.L., Parvulyusov Yu.B., Solomatin V.A. Multispectral matrix silicon photodetectors with the IR range registration. Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1679, no. 2, pp. 022039. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/2/022039Solomatin V.A., Parvulyusov Yu.B., Zhbanova V.L. Spatial-frequency characteristics of photo matrices for colour image // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1679. N 2. P. 022038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/2/022038Solomatin V.A., Parvulyusov Yu.B., Zhbanova V.L. Spatial-frequency characteristics of photo matrices for colour image. Journal of Physics: Conference Series, 2020, vol. 1679, no. 2, pp. 022038. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1679/2/022038Парвулюсов Ю.Б., Жбанова В.Л. Моделирование хода лучей в матричном фотоприемнике с многослойной структурой // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2014. № 4. С. 108–113.Parvuliusov Iu.B., Zhbanova V.L. Simulation of the rays path in the matrix photodetector with a multilayer structure. Izvestia vuzov. Geodesy and Aerophotosurveying, 2014, vol. 4, pp. 108–113. (in Russian)Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Физматлит, 2003. 848 с.Landsberg G.S. Optics. Moscow, Fizmatlit Publ., 2003, 848 p. (in Russian)Green M.A., Keevers M. Optical properties of intrinsic silicon at 300 K // Progress in Photovoltaics. 1995. V. 3. N 3. P. 189–192. https://doi.org/10.1002/pip.4670030303Green M.A., Keevers M. Optical properties of intrinsic silicon at 300 K. Progress in Photovoltaics, 1995, vol. 3, no. 3, pp. 189–192. https://doi.org/10.1002/pip.4670030303

The authors declare that there are no conflicts of interest present.