Development of imaging pixels based on UV-light induced conductance switching in titanium dioxide

With the wide application of digital imaging technology, the traditional silicon technology is ill-suited in many fields because of the high requirement on manufacture and cost as the detecting areas increase in size. Researchers are trying to exploring new kinds of semiconductors that can be solution processed in a cost-effective way by means of techniques amenable to large area covering. In this thesis work pixels based on such new technology have been developed, having solution processed titanium dioxide (TiO2) as photosensitive material. The pixel working mechanism is based on the stable change of active material conductance upon irradiation with UV light. In conventional photodiode based pixels, the light information is store dynamically in the form of photogenerated charge accumulated on a capacitance. This implies that each pixel must be kept isolated until the time of reading by a suitable addressing element, i.e. a transistor. On the opposite, the non-transitory nature of the information in our case allows the pixel structure to be significantly simplified, as addressing elements in addition to the photosensitive one are not required. In this thesis work, the electrical behavior of TiO2 based pixels is explored in depth and correlated with different processing protocols and device structures. Conductivity change of more than 3 orders of magnitude has been shown upon UV light exposure. Reversibility of the mechanism has been also demonstrated, together with the possibility of lowering the device processing temperature down to a value (200 C) compatible with pixel realization onto cheap, flexible and light weight plastic substrates.

Le applicazioni che prevedono l'utilizzo di pannelli digitali per imaging sono al giorno d'oggi molteplici. A questo scopo e in particolare quando l'applicazione prevede un'ampia area fotosensibile, la tecnologia tradizionale basata su silicio mal si adatta a causa della complessita' e degli elevati costi di produzione. Per questo attuale focus di molti gruppi di ricerca e' lo sviluppo e l'utilizzo di nuovi materiali semiconduttori che si possano lavorare da soluzione con tecniche a basso cost e scalabili su ampie superfici. In questo lavoro di tesi sono stati sviluppati pixel basati su questa nuova tecnologia e aventi biossido di titanio (TiO2) lavorato da fase liquida come materiale fotoattivo. Il principio di funzionamento del pixel proposto si basa su una variazione stabile di conducibilita' dello stesso a valle dell'irraggiamento con luce UV. In pixel di tipo piu' tradizionale basati su fotodiodi, l'informazione luminosa e' tradotta dinamicamente in carica elettrica che viene accumulata su una capacita'. Questo implica che ciascun pixel deve essere mantenuto isolato dagli altri fino al momento della lettura attraverso un opportuno elemento di indirizzamento, ad esempio un transistor. Al contrario, la natura stabile e non transitoria dell'informazione nel caso del qui proposto rende superfluo il ruolo dell'elemento di accesso, permettendo di semplificare la struttura del pixel in modo significativo. In questo lavoro di tesi, il comportamento elettrico di pixel basati su TiO2 e' stato studiato a fondo e correlato a diversi possibili protocolli realizzativi e diverse strutture del layer fotoattivo. E' stato possibile dimostrare per i pixel in questione una variazione di conducibilita' di piu' di tre ordini di grandezza a valle di esposizione a luce UV. E' stato inoltre possibile provare la reversibilita' del fenomeno, oltre che la fattibilta' di realizzare i dispositivi attraverso ricette a bassa temperatura (200 C) compatibili con substrati plastici economici, leggeri e flessibili.