IT201800002821A1 - Dispositivo a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante dotato di finestre ottiche micrometriche - Google Patents
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Description
Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo: DISPOSITIVO A SEMICONDUTTORE PER LA RIVELAZIONE DI RADIAZIONE IONIZZANTE DOTATO DI FINESTRE OTTICHE MICROMETRICHE;
Campo tecnico dell'invenzione
Dispositivo a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante con finestre ottiche, più precisamente l’invenzione si riferisce a un dispositivo che può essere oggetto di qualificazione mediante l’utilizzo di un segnale laser.
Arte nota
La presente invenzione si riferisce in generale ai dispositivi a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante.
Dispositivi di questo tipo funzionano sostanzialmente producendo un segnale elettrico al passaggio di radiazione ionizzante attraverso di essi. In particolare, durante il normale funzionamento, tale segnale si genera mediante la creazione per ionizzazione di cariche libere, elettroni e lacune, che sotto l’influenza di un campo elettrico esterno generano una corrente elettrica. Tale segnale è quindi letto da un elettrodo opportunamente collegato ad un’elettronica di lettura.
Un problema riscontrato nell’utilizzo di tali dispositivi risiede nella necessità di qualificazione degli stessi preliminarmente al loro utilizzo per la rivelazione di radiazione ionizzante.
Nella pratica, l’impiego di radiazione ionizzante per la qualificazione dei dispositivi incontra diverse difficoltà direttamente correlate all’uso di sorgenti radioattive, quali ad esempio: - non sempre si dispone di sorgenti radioattive, - l’energia della radiazione emessa è troppo bassa, - la direzione della radiazione non è nota in quanto è emessa dalla sorgente radioattiva in tutte le direzioni,
- i regolamenti di sicurezza sul lavoro limitano l’uso di sorgenti radioattive in locali non specificatamente attrezzati.
Per queste ragioni, nella maggior parte dei casi, per la qualificazione si usano dei segnali laser che “emulano” la creazione di cariche nel semiconduttore per opera di radiazione ionizzante.
Il limite dello stato dell'arte è che gli elettrodi di lettura dei rivelatori al silicio coperti di alluminio non lasciano penetrare il segnale laser perché il metallo è notoriamente opaco alla radiazione delle lunghezze d'onda interessate.
In parziale risoluzione del problema, lo stato dell’arte offre rivelatori al silicio soltanto parzialmente ricoperti di alluminio. Di contro la copertura parziale con alluminio altera il funzionamento del rivelatore rendendone imprevedibile il comportamento una volta esposto al fascio di particelle.
Le uniche informazioni che si possono ottenere dalla qualificazione riguardano esclusivamente la frazione di rivelatore non interessato dal ricoprimento in alluminio.
Un ulteriore svantaggio dei dispositivi dello stato dell’arte risiede nel ruolo giocato dal sistema ottico utilizzato per la qualificazione degli stessi dispositivi: la deposizione di carica da parte del laser dipende fortemente dalla focalizzazione del sistema ottico che può variare da giorno a giorno a parità di componenti e non è pertanto nota a priori.
A fronte di quanto detto sopra, è sentita l’esigenza di un dispositivo a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante che superi gli inconvenienti dello stato dell’arte e consenta la qualificazione del dispositivo mediante segnale laser.
Sommario dell'invenzione
L'invenzione consiste in un dispositivo a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante adatto ad essere qualificato mediante impiego di un segnale laser al fine di conoscere a priori la risposta del dispositivo al passaggio attraverso di esso di radiazione ionizzante.
L’invenzione consiste altresì nel metodo di utilizzo di tale dispositivo al fine della sua qualificazione mediante impiego di segnale laser.
Infine, costituisce parte dell’invenzione il metodo per la realizzazione del dispositivo di cui sopra.
Breve descrizione delle Figure
La Figura 1 mostra la sezione trasversale di un dispositivo a semiconduttore secondo la presente invenzione;
la Figura 2 mostra il dispositivo di cui sopra durante il normale funzionamento ovvero durante l’esposizione a radiazione ionizzante (2a) e durante l’esposizione ad un segnale laser (2b);
la Figura 3 mostra un dispositivo a semiconduttore facente parte dello stato dell’arte; le Figure 4a, 4b e 4c mostrano i dati sperimentali riportati da un test effettuato su un dispositivo a semiconduttore di tipo noto (4a) da un punto di vista spaziale (4b) e di ampiezza del segnale (4c).
Descrizione dettagliata dell’invenzione
I dispositivi a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante sono costruiti mediante l’uso di un substrato di materiale semiconduttore tipicamente caratterizzato da un drogaggio di tipo p o tipo n su cui viene impiantato un sottile strato di drogaggio di tipo diverso dal primo (tipo n o tipo p).
Al solo scopo esemplificativo e non limitativo si descrive il dispositivo mostrato in Figura 1. Tale dispositivo è costituito da un substrato 1 di materiale semiconduttore caratterizzato da un drogaggio di tipo p (ad esempio Silicio p) e uno strato 2 di materiale semiconduttore con drogaggio di tipo n (ad esempio silicio n) posto su una prima faccia di detto substrato 1 a costituire un primo elettrodo.
In corrispondenza di una seconda superficie del substrato 1, contrapposta alla prima superficie, è previsto un secondo elettrodo 5.
Il primo elettrodo 2 è tipicamente segmentato ovvero costituito da più regioni di materiale semiconduttore caratterizzate dallo stesso tipo di drogaggio, nel caso esemplificato drogaggio di tipo n.
Dette regioni di drogaggio che costituiscono il primo elettrodo 2 possono estendersi lungo una direzione principale in modo da formare delle strisce, anche note come strip, dando origine ai cosiddetti rivelatori microstrip oppure possono disporsi a matrice formando i cosiddetti rivelatori a pixel.
Nel gergo tecnico, le strip o i pixel così formati prendono il nome di “elettrodo di lettura”. Gli elettrodi di lettura sono generalmente ricoperti, almeno in parte, da uno strato di metallo 3 (ad esempio di Alluminio) avente la funzione di assicurare un buon contatto elettrico tra l’elettrodo di lettura e l’elettronica 4 necessaria per la lettura del segnale elettrico generato.
Ai fini delle spiegazioni successive, è interessante notare che la creazione di cariche nel substrato 1 quando questo è attraversato da radiazione ionizzante avviene in un volume sostanzialmente cilindrico, il cui raggio è circa pari a 1 µm che si protrae lungo la direzione di impatto impiegando un tempo dell’ordine del picosecondo. Una rappresentazione grafica di tale fenomeno è mostrata in Figura 2a.
Per ottenere informazioni sul funzionamento del dispositivo già prima della sua installazione e/o esposizione a radiazioni ionizzanti, è utile ed opportuno eseguire dei test per la qualificazione dei dispositivi a semiconduttore mediante impiego di un segnale laser 6. Una rappresentazione grafica di tale evento è mostrata in Figura 2b.
Al fine di conoscere a priori la risposta del dispositivo che sarà esposto alla radiazione ionizzante, facendo ricorso ad un segnale laser, risulta essenziale seguire alcuni accorgimenti che saranno meglio descritti nel seguito. In generale, il sistema ottico impiegato, così come le caratteristiche del dispositivo, devono essere tali da emulare al meglio l’esposizione alla radiazione ionizzante.
Da un punto di vista pratico e con i dispositivi facenti parte dello stato dell’arte, questo vuol dire usare un picolaser ovvero un laser con un impulso temporale di circa 10-20 picosecondi, focalizzato il più possibile (diametro della sezione approssimativamente pari a 10 – 20 µm) e con una lunghezza d’onda che consente la penetrazione per tutto lo spessore del substrato (generalmente - ma non esclusivamente - pari 1064 nm). In assenza di sistemi ottici di focalizzazione, si ha un fascio laser in cui il diametro della sezione trasversale è nell’ordine delle centinaia di micron.
Secondo una caratteristica peculiare della presente invenzione, il dispositivo a semiconduttore secondo il trovato consente invece la qualificazione del dispositivo mediante impiego di segnale laser senza la necessità di ricorrere a sistemi ottici di focalizzazione e senza inficiare la validità delle informazioni ottenute relativamente alla risposta del dispositivo in caso di esposizione a radiazione ionizzante.
Secondo l’invenzione, il dispositivo comprende i seguenti elementi:
i. un substrato 1 di materiale semiconduttore (ad esempio di silicio drogato p o n) per creare cariche elettriche in risposta al passaggio di radiazione ionizzante attraverso di esso;
ii. un primo elettrodo 2, posto su una prima superficie del substrato, drogato in modo opposto al substrato 1;
iii. un secondo elettrodo 5, disposto su una seconda superficie del substrato 1 contrapposta alla prima, drogato allo stesso modo del substrato 1; iv. uno strato metallico 3, posto a contatto con uno degli elettrodi, con un’elettronica di lettura 4 e caratterizzato dal fatto che detto strato metallico 3 comprende almeno una fenditura 8 avente almeno una dimensione pari o inferiore a 20 µm.
La fenditura 8 può avere una qualsiasi forma geometrica purché, individuati due assi principali, non ecceda nella direzione di almeno uno di questi la lunghezza di 20 µm.
Non è essenziale che le fenditure 8 rispettino una dimensione minima, piuttosto questa è limitata dalla precisione che il processo di realizzazione può raggiungere.
Tale dimensione minima delle fenditure 8 deve in ogni caso garantire che il segnale laser 6 possa raggiungere il primo elettrodo 2, e pertanto non può essere inferiore ad 1/4 della lunghezza d’onda del segnale laser 6 impiegato.
In una realizzazione preferita dell’invenzione, la fenditura o le fenditure 8 presentano una dimensione minima pari o superiore a 1 µm rappresentando questa una scelta ottimale per l’ampiezza del segnale che genera.
In una realizzazione preferita dell’invenzione, la fenditura o le fenditure hanno almeno una dimensione pari o inferiore a 10 µm.
E’ inoltre opportuno che le fenditure 8 abbiano un’area pari o inferiore a 200 µm<2>, preferibilmente inferiore a 100 µm<2>.
Vantaggiosamente, la scelta di fenditure 8 aventi tali caratteristiche consente di verificare il funzionamento del dispositivo di rivelazione senza che questo sia perturbato dalla mancanza - in alcune aree - dello strato metallico 3, in quanto i campi elettrici che determinano il suo funzionamento non subiscono variazioni.
Un ulteriore vantaggio del presente trovato, risiede nel fatto di essere del tutto svincolato, in fase di qualificazione, dalle proprietà di focalizzazione del segnale laser 6, dato che l’elemento determinante per la deposizione di carica è proprio la dimensione delle fenditure 8 e pertanto è riproducibile.
In una preferita forma di realizzazione dell’invenzione, le fenditure 8 sono posizionate in punti particolarmente significativi ovvero laddove potrebbero verificarsi effetti indesiderati rispetto al normale funzionamento.
Al solo scopo esemplificativo, si citano le differenze di segnale in funzione della posizione di impatto o attraversamento della radiazione ionizzante rispetto alla superficie sensibile del dispositivo, le variazioni di segnale tipiche delle giunzioni tra pixel dell’elettrodo di lettura e la distorsione del segnale al bordo di un sensore.
Alla luce di quanto sopra, è raccomandabile prevedere le fenditure 8 nella regione centrale del dispositivo e/o nel punto più distante dal sistema di lettura, così come negli angoli o comunque lungo il perimetro della superficie principale del dispositivo.
I materiali semiconduttori 1 e 2 possono essere scelti tra: silicio, diamante, germanio, carburo di silicio.
I metalli 3 possono essere scelti tra: alluminio, titanio, oro, argento, e platino.
Il dispositivo a semiconduttore secondo la presente invenzione è vantaggiosamente realizzabile con le tecniche note all’esperto del ramo.
Ad esempio, il dispositivo può essere realizzato a partire da un substrato a semiconduttore 1 con un primo elettrodo 2 in grado di raccogliere le cariche elettriche create nel substrato 1, il quale elettrodo è posto su una prima faccia del substrato stesso.
Lo strato metallico 3, che ricopre detto primo elettrodo 2, è applicabile mediante un processo che comprende le seguenti fasi principali:
a. predisporre un substrato 1 di materiale semiconduttore in grado di creare cariche elettriche in risposta al passaggio di radiazione ionizzante attraverso di esso, dotato di almeno primo elettrodo 2 per raccogliere le cariche elettriche create nel substrato 1,in cui detto primo elettrodo 2 è disposto su una prima superficie del substrato 1, ed in cui un secondo elettrodo 5 è disposto su una seconda superficie del substrato 1 contrapposta a detta prima superficie;
b. applicare uno strato di materiale fotoresistente su tutta la superficie sulla quale c’è il primo elettrodo 2 oppure il secondo elettrodo 5;
c. Rimuovere mediante fotolitografia la geometria delle fenditure 8 che si intendono realizzare sul primo elettrodo 2 oppure sul secondo elettrodo 5;
d. depositare uno strato metallico su tutta la superfice sulla quale è stata depositata la pasta fotoresistente: il metallo si deposita sulla pasta fotoresistente dove non è stata tolta, oppure in corrispondenza delle aperture descritte alla precedente fase “c.”, sul primo elettrodo 2 oppure il secondo elettrodo 5;
e. rimuovere la pasta fotoresistente di cui alla precedente fase “b.” mediante lavaggio.
Per una descrizione più accurata ci si può anche riferire, per esempio, alla descrizione delle fasi operative della produzione riportate in https://en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device_fa brication.
E’ appena il caso di notare che la pasta ottica deve essere posta laddove non si desidera che vi sia lo strato metallico. Per tale ragione la pasta ottica deve essere depositata formando una figura avente almeno una dimensione pari o inferiore a 20 µm.
Per quanto detto, un dispositivo a semiconduttore secondo la presente invenzione è vantaggiosamente utilizzabile in un procedimento di qualificazione che, facendo uso di un segnale laser, è atto ad acquisire informazioni sul segnale misurabile durante una sua esposizione a radiazione ionizzante.
La qualificazione del dispositivo attraverso il segnale laser, si effettua simulando con il laser l’effetto della radiazione ionizzante, e studiando la forma del segnale letto dall’elettronica di lettura 4. Tra i parametri importanti in questa qualificazione si ricordano: (i) la lunghezza del segnale, (ii) la velocità con la quale il segnale raggiunge il suo massimo valore, e (iii) il tempo di durata del segnale. La lunghezza d’onda del laser può variare da 400 nm (sotto la quale il segnale non penetra nel materiale) fino a circa 2-3000 nm, oltre la quale il laser non genera abbastanza ionizzazione. Per esempio, usando un laser con una lunghezza d’onda di 1060 nm, ad una potenza di ~ 1 microWatt, si genera un segnale analogo a quello di una particella ionizzante.
Al solo scopo esemplificativo, si riportano i risultati di misurazioni effettuate su un dispositivo al silicio di tipo noto, mostrato in Figura 3 di superficie pari 1.3 x 1.3 mm<2 >e caratterizzato dalla presenza di uno strato metallico dotato di almeno un’apertura 8 di forma circolare con diametro pari a 0,8 mm.
Ulteriori dettagli possono essere rinvenuti nella pubblicazione scientifica NIMA-D-17-01002 Title: “Studies of uniformity of 50 um low-gain avalanche detectors at the Fermilab test beam” sottomesso a Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A.
La Figura 4b mostra l’ampiezza del segnale generata da una particella che colpisce il rivelatore al silicio quadrato con la finestra ottica circolare. I rivelatori in questione sono stati in precedenza irradiati per fare uno studio sulla resistenza alla radiazione.
Come si può vedere dalle due figure 4b e 4c, l’ampiezza del segnale generato in corrispondenza dell’apertura 8 è minore rispetto al segnale che si misura in corrispondenza dello strato metallico.
Claims (10)
- RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo rivelatore a semiconduttore per la rivelazione di radiazione ionizzante comprendente, in combinazione · un substrato di materiale semiconduttore (1) in grado di creare cariche elettriche in risposta al passaggio di radiazione ionizzante attraverso di esso, · almeno un primo elettrodo (2) in grado di raccogliere le cariche elettriche create nel substrato (1), il quale elettrodo (2) è disposto su una prima superficie del substrato, · un secondo elettrodo (5) disposto su una seconda superficie del substrato (1) contrapposta alla prima, · uno strato metallico (3) per fornire contatto elettrico con un’elettronica (4) di lettura posto a contatto con detto primo elettrodo (2) caratterizzato dal fatto che detto strato metallico (3) comprende almeno una fenditura (8), dotata di almeno una dimensione pari o inferiore a 20 µm.
- 2. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detta almeno una fenditura ha almeno una dimensione pari o inferiore a 10 µm.
- 3. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta almeno una fenditura (8) ha almeno una dimensione pari o superiore a 1 µm.
- 4. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno una fenditura ha un’area pari o inferiore a 200 µm<2>, preferibilmente inferiore a 100 µm<2>.
- 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno una fenditura (8) ha un’area pari o inferiore a 50 µm<2>.
- 6. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il materiale del substrato semiconduttore (1) e del secondo elettrodo (5) sono dello stesso tipo di silicio drogato n oppure p, mentre il materiale del primo elettrodo (2) è silicio drogato in modo opposto al substrato (1), quindi p oppure n.
- 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il materiale del substrato semiconduttore (1) è diamante e gli elettrodi (2, 3) sono metallici.
- 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato metallico (3) è in Alluminio.
- 9. Metodo per la qualificazione di un dispositivo rivelatore a semiconduttore secondo le rivendicazioni precedenti, mediante impiego di un segnale laser (6) senza la necessità di ricorrere a sistemi ottici di focalizzazione e senza inficiare la validità delle informazioni ottenute relativamente alla risposta del dispositivo in caso di esposizione a radiazione ionizzante, caratterizzato dal fatto di comprendere le seguenti fasi principali: A. esporre detto dispositivo a un fascio di fotoni con lunghezza d’onda compresa nell’intervallo da 400 nm, sotto la quale il segnale non penetra nel materiale, fino a circa 2-3000 nm, oltre la quale il laser non genera abbastanza ionizzazione; B. rivelare il segnale elettrico fornito dall’elettronica (4) di lettura.
- 10. Metodo per la realizzazione di un dispositivo rivelatore a semiconduttore secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente le seguenti fasi principali: a. predisporre un substrato (1) di materiale semiconduttore in grado di creare cariche elettriche in risposta al passaggio di radiazione ionizzante attraverso di esso, dotato di almeno primo elettrodo (2) per raccogliere le cariche elettriche create nel substrato (1), in cui detto primo elettrodo (2) è disposto su una prima superficie del substrato (1), ed in cui un secondo elettrodo (5) è disposto su una seconda superficie del substrato (1) contrapposta a detta prima superficie; b. applicare uno strato di materiale o pasta fotoresistente su tutta la superficie sulla quale c’è il primo elettrodo (2) oppure il secondo elettrodo (5); c. Rimuovere mediante fotolitografia la geometria delle fenditure (8) che si intendono realizzare sul primo elettrodo (2) oppure sul secondo elettrodo (5); d. depositare uno strato metallico (3) su tutta la superfice sulla quale è stata depositata la pasta fotoresistente: il metallo essendo depositabile sulla pasta fotoresistente dove non è stata tolta, oppure in corrispondenza delle fenditure (8) sul primo elettrodo (2) oppure sul secondo elettrodo (5); e. rimuovere la pasta fotoresistente mediante lavaggio.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110253886A1 (en) * | 2010-04-19 | 2011-10-20 | Siemens Aktiengesellschaft | X-Ray Detector Comprising A Directly Converting Semiconductor Layer And Calibration Method For Such An X-Ray Detector |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3756034A1 (en) | 2020-12-30 |
| WO2019159032A1 (en) | 2019-08-22 |
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