IT201800004621A1 - Dispositivo optoelettronico ad elevata sensibilita' per la rilevazione di specie chimiche e relativo metodo di fabbricazione - Google Patents

Dispositivo optoelettronico ad elevata sensibilita' per la rilevazione di specie chimiche e relativo metodo di fabbricazione Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO OPTOELETTRONICO AD ELEVATA SENSIBILITA' PER LA RILEVAZIONE DI SPECIE CHIMICHE E RELATIVO METODO DI FABBRICAZIONE”
di STMICROELECTRONICS S.R.L.
di nazionalità italiana
con sede: VIA C. OLIVETTI 2
20864 AGRATE BRIANZA (MB)
Inventori: MAZZILLO Massimo Cataldo, CONDORELLI Giovanni, RENNA Lucio
* * *
La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo optoelettronico ad elevata sensibilità per la rilevazione di specie chimiche, nonché al corrispondente metodo di fabbricazione.
Come è noto, in diversi campi di applicazione è sentita oggigiorno l’esigenza di rilevare una o più specie chimiche, in particolare in fase gassosa, e quindi di determinare le corrispondenti concentrazioni di tali specie chimiche. Ad esempio, nell’ambito dell’industria motoristica, è sentita l’esigenza di determinare le concentrazioni, all’interno di un gas di scarico (“exhaust gas”), di specie chimiche che si generano nel corso delle reazioni termiche che avvengono all’interno di un motore. A tal proposito, è noto che, in
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) seguito ad una reazione di combustione che avviene tra il carburante e l’aria, si generano acqua (H2O) e specie chimiche inquinanti, quali l’anidride carbonica (CO2), il monossido di carbonio (CO), l’ossido di zolfo (SOx), ossidi di azoto (NOx), idrocarburi (“hydrocarbons”, HC) e particolato (“particulate matter”, PM). A loro volta, gli ossidi di azoto includono il monossido di azoto (NO), il biossido di azoto (NO2) e l’ossido di diazoto (N2O).
Sempre a titolo esemplificativo, è sentita oggigiorno l’esigenza di disporre di sensori che consentano di rilevare composti organici volatili (“volatile organic compounds”, VOC), i quali sono altamente inquinanti, al fine di rilevare la qualità dell’aria. A tal proposito, i composti organici volatili comprendono, tra l’altro, i cosiddetti idrocarburi policiclici aromatici (IPA), questi ultimi essendo notoriamente pericolosi per la salute dell’uomo.
Indipendentemente dal campo di applicazione, e quindi dalla particolare o dalle particolari specie chimiche oggetto della misura, sono stati sviluppati diversi metodi di rilevamento, i quali a grandi linee possono essere suddivisi in i) metodi basati sul rilevamento delle variazioni di una grandezza elettrica di un elemento sensibile, in seguito all’interazione tra l’elemento sensibile e la specie chimica sotto indagine, e ii) metodi basati sul rilevamento di variazioni di grandezze di tipo
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) non elettrico, quali ad esempio grandezze acustiche, ottiche, ecc.
Limitandosi ai sensori che si basano sulla variazione di una caratteristica elettrica di un proprio elemento sensibile, essi si caratterizzano per costi ridotti e per una certa semplicità costruttiva, tuttavia essi si caratterizzano altresì per sensibilità non particolarmente elevate. A tal proposito, la sensibilità risulta limitata, tra le altre cose, anche per il fatto che, generalmente, tali sensori generano i rispettivi segnali d’uscita senza implementare meccanismi di amplificazione.
Scopo della presente invenzione è quindi fornire un dispositivo optoelettronico per il rilevamento di specie chimiche, il quale risolva almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.
Secondo la presente invenzione, vengono forniti un dispositivo a semiconduttore ed un metodo di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione preferite, puramente a titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra schematicamente una sezione trasversale di una forma di realizzazione del presente dispositivo di rilevamento;
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) - la figura 2 mostra schematicamente una vista prospettica di una schiera di dispositivi di rilevamento;
- la figura 3 mostra schematicamente una vista dall’alto con porzioni rimosse di una parte della forma di realizzazione mostrata in figura 1;
- la figura 4 mostra andamenti nel tempo di impulsi di corrente, al variare della resistenza di una regione sensibile del presente dispositivo di rilevamento;
- la figura 5 mostra uno schema a blocchi di un sistema di rilevazione di specie chimiche;
- le figure 6-14 mostrano schematicamente sezioni trasversali di un dispositivo di rilevamento, durante fasi successive di un metodo di fabbricazione.
Il presente dispositivo optoelettronico si basa sul principio di funzionamento dei fotodiodi a valanga operanti in modalità Geiger (“Geiger-mode avalanche photodiode”, GMAP), anche noti come diodi a valanga a singolo fotone (“Single Photon Avalanche Diode”, SPAD), in quanto in grado, almeno teoricamente, di consentire la rivelazione di singoli fotoni.
In dettaglio, è noto che un fotodiodo SPAD comprende una giunzione di materiale semiconduttore, la quale presenta una tensione di rottura (“breakdown”) VB ed è polarizzata, in uso, con una tensione di polarizzazione inversa VA superiore in modulo alla tensione di rottura VB. In tal modo,
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) la giunzione presenta una regione svuotata particolarmente estesa, al cui interno è presente un campo elettrico non trascurabile. Perciò, la generazione di una singola coppia elettrone-lacuna (“electron-hole pair”), causata dall’assorbimento all’interno della regione svuotata di un fotone incidente sul fotodiodo SPAD, può essere sufficiente per innescare un processo di ionizzazione. Tale processo di ionizzazione causa a sua volta una moltiplicazione a valanga dei portatori, con guadagni nell’intorno di 10<6>, e la conseguente generazione in tempi rapidi (centinaia di picosecondi) della cosiddetta corrente di valanga, o più precisamente di un impulso della corrente di valanga.
La corrente di valanga può essere raccolta mediante una circuiteria esterna collegata alla giunzione e rappresenta un segnale generato dal fotodiodo SPAD, al quale ci si riferisce anche come alla corrente di uscita. In pratica, per ogni fotone assorbito, si genera un impulso della corrente di uscita del fotodiodo SPAD.
Il fatto che la tensione di polarizzazione inversa VA sia superiore, in modulo, alla tensione di rottura VB fa sì che il processo di ionizzazione a valanga, una volta innescato, si autosostenga. Pertanto, una volta innescato, il fotodiodo SPAD non è più in grado di rilevare fotoni, con la conseguenza che, in assenza di opportuni rimedi, il fotodiodo SPAD riesce a rilevare l’arrivo di un primo fotone,
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) ma non l’arrivo di fotoni successivi. Per poter rilevare anche i fotoni successivi, è necessario spegnere la corrente di valanga generata all’interno del fotodiodo SPAD, arrestando il processo di ionizzazione a valanga, ed in particolare abbassando, per un periodo di tempo noto come tempo di hold-off, la tensione effettiva Ve ai capi della giunzione, in modo da inibire il processo di ionizzazione. A tal fine, è noto l’impiego di cosiddetti circuiti di soppressione (“quenching circuits”), siano essi di tipo attivo o passivo. Successivamente, viene ripristinata la tensione di polarizzazione inversa VA, al fine di consentire la rilevazione di un successivo fotone.
Ciò premesso, la Richiedente ha osservato come sia possibile modificare la struttura di un fotodiodo SPAD, in maniera tale da conseguire la possibilità di modulare la forma dell’andamento nel tempo degli impulsi della corrente di valanga, in funzione della concentrazione di una specie chimica sotto indagine.
In maggior dettaglio, la figura 1 mostra un dispositivo di rilevamento 1, il quale è integrato in una piastrina (“die”) 100 di materiale semiconduttore. Come mostrato in figura 2, il dispositivo di rilevamento 1 può far parte di una schiera 220 di dispositivi di rilevamento uguali tra loro, indicati tutti con 1.
In dettaglio, il dispositivo di rilevamento 1 comprende
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) un corpo semiconduttore 3, il quale è formato, ad esempio, da silicio e comprende a sua volta un substrato 2, delimitato da una superficie inferiore Sinf. Inoltre, il dispositivo di rilevamento 1 include un primo ed un secondo strato epitassiale 6, 8. In figura 1, gli spessori del substrato 2 e del primo e del secondo strato epitassiale 6, 8 non sono in scala, come anche gli spessori delle altre regioni, descritte in seguito.
Il substrato 2 è di tipo P++, ha spessore compreso ad esempio tra 300μm e 500μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<19 >cm<-3 >e 1*10<20 >cm<-3>.
Il primo strato epitassiale 6 è di tipo N+, ha uno spessore compreso ad esempio tra 4μm e 8μm e sovrasta, in contatto diretto, il substrato 2. Inoltre, il primo strato epitassiale 6 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<16 >cm<-3 >e 5*10<16 >cm<-3>.
Il secondo strato epitassiale 8 è di tipo N-, ha uno spessore compreso ad esempio tra 3μm e 5μm e sovrasta il primo strato epitassiale 6, con cui è in contatto diretto. Inoltre, il secondo strato epitassiale 8 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<14 >cm<-3 >e 3*10<14 >cm<-3>. Inoltre, il secondo strato epitassiale 8 forma una superficie intermedia Sint, che delimita superiormente il corpo semiconduttore 3.
Una regione di anodo 12, di tipo P+ e di forma, in vista
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) dall’alto, circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare), si affaccia alla superficie intermedia Sint e si estende all’interno del secondo strato epitassiale 8. In particolare, la regione di anodo 12 ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.05μm e 0.4μm; inoltre, la regione di anodo 12 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<18 >cm<-3 >e 1*10<19 >cm<-3>.
Una regione arricchita 14, di tipo N, si estende nel secondo strato epitassiale 8, al di sotto della, ed in contatto diretto con, la regione di anodo 12. In vista dall’alto, la regione arricchita 14 presenta una forma circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare); inoltre, la regione arricchita 14 ha uno spessore pari, ad esempio, a 1μm e livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<16 >cm<-3 >e 5*10<16 >cm<-3>.
Ai fini pratici, la regione di anodo 12 e la regione arricchita 14 formano una prima giunzione PN, destinata a ricevere fotoni e a generare la corrente di valanga. La regione arricchita 14 ed il secondo strato epitassiale 8 hanno invece lo scopo di confinare un elevato campo elettrico in prossimità della prima giunzione PN, riducendo la tensione di breakdown VB della giunzione stessa.
Un anello di guardia 16 di forma circolare, di tipo P-e con un livello di drogaggio compreso tra 1*10<16 >cm<-3 >e 3*10<16 >cm<-3>, si estende nel secondo strato epitassiale 8; in
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) particolare, l’anello di guardia 16 è affacciato alla superficie intermedia Sint ed è disposto all’esterno della regione di anodo 12, con cui è in contatto diretto. Inoltre, l’anello di guardia 16 ha uno spessore compreso, ad esempio, tra 1μm e 3μm.
L’anello di guardia 16 forma una seconda giunzione PN con il secondo strato epitassiale 8, in modo da prevenire il breakdown di bordo (“edge breakdown”) della regione di anodo 12.
Il corpo semiconduttore 3 comprende inoltre una regione di contatto 17, la quale si estende nel secondo strato epitassiale 8, a partire dalla superficie intermedia Sint. La regione di contatto 17 è di tipo N+ ed ha un livello di drogaggio compreso tra 1*10<19 >cm<-3 >e 1*10<20 >cm<-3>. Inoltre, la regione di contatto 17 si estende all’esterno dell’anello di guardia 16 e a distanza da quest’ultimo.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una prima regione dielettrica 30, la quale si estende al di sopra della superficie intermedia Sint, è formata ad esempio da ossido termico ed ha uno spessore ad esempio pari a 0.8μm. In particolare, la prima regione dielettrica 30 ha una forma cava, in modo da definire un recesso che lascia esposta la regione di anodo 12; in altre parole, mentre la regione di anodo 12 si affaccia su una porzione centrale della superficie intermedia Sint, la prima regione dielettrica 30
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) si estende su una porzione periferica della superficie intermedia Sint. Inoltre, la prima regione dielettrica 30 si estende parzialmente al di sopra dell’anello di guardia 16, con cui è in contatto diretto.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una regione 31, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione intermedia 31.
In dettaglio, la regione intermedia 31 è formata ad esempio da polisilicio, è di tipo P+, ha un livello di drogaggio compreso tra 1*10<20 >cm<-3 >e 3*10<20 >cm<-3 >ed ha uno spessore compreso, ad esempio, tra 50nm e 100nm. Inoltre, la regione intermedia 31 si estende, in contatto diretto, sulla prima regione dielettrica 30 e sulla regione di anodo 12, nonché sulla porzione di anello di guardia 16 lasciata esposta dalla prima regione dielettrica 30.
In maggior dettaglio, e senza alcuna perdita di generalità, la regione intermedia 31 si estende su una porzione interna della prima regione dielettrica 30, la quale definisce il summenzionato recesso, mentre lascia esposta una porzione esterna della prima regione dielettrica 30. Tale porzione esterna della prima regione dielettrica 30 sovrasta in parte la regione di contatto 17, con cui è in contatto diretto.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una seconda regione dielettrica 32, la quale si estende, in
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) contatto diretto, sulla regione intermedia 31, nonché sulla porzione esterna della prima regione dielettrica 30, lasciata esposta dalla regione intermedia 31. Inoltre, la seconda regione dielettrica 32 è formata ad esempio da ossido TEOS ed ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.8μm e 2μm.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una terza ed una quarta regione dielettrica 33, 34.
La terza regione dielettrica 33 si estende sulla seconda regione dielettrica 32, in contatto diretto. Inoltre, la terza regione dielettrica 33 è formata ad esempio da nitruro di silicio (Si3N4) ed ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.8μm e 2μm. La terza regione dielettrica 33 è opzionale ed assolve il compito di ridurre gli stress meccanici superficiali.
La quarta regione dielettrica 34 si estende, in contatto diretto, sulla terza regione dielettrica 33 ed è delimitata superiormente da una superficie superiore Ssup. Inoltre, la quarta regione dielettrica 34 è formata ad esempio da ossido TEOS ed ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.8μm e 2μm.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre un riscaldatore 37, formato ad esempio da platino ed avente una forma a serpentina (in vista dall’alto). Il riscaldatore 37 si estende nella quarta regione dielettrica 34, a distanza dalla terza regione dielettrica 33 e dalla superficie superiore Ssup.
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre un primo ed un secondo elettrodo 41, 43 ed una regione sensibile 42.
In dettaglio, il primo ed il secondo elettrodo 41, 43 sono formati ad esempio da platino e si estendono al di sopra della superficie superiore Ssup, in contatto diretto con la quarta regione dielettrica 34.
Come mostrato in maggior dettaglio in figura 3, il primo ed il secondo elettrodo 41, 43 comprendono, ciascuno, una rispettiva pluralità di elementi allungati, indicati rispettivamente con 41’ e 43’. Inoltre, gli elementi allungati 41, 43’ del primo e del secondo elettrodo 41, 43 sono paralleli tra loro e sono disposti in modo interdigitato. Il primo ed il secondo elettrodo 41, 43 delimitano quindi lateralmente una pluralità di interstizi 49, ciascun interstizio 49 essendo appunto delimitato lateralmente da una rispettiva coppia di elementi allungati ed essendo delimitato inferiormente dalla quarta regione dielettrica 34.
In maggior dettaglio, ciascuno tra il primo ed il secondo elettrodo 41, 43 ha una forma a pettine. Inoltre, il primo elettrodo 41 comprende una porzione terminale 41”, disposta su un lato rispetto agli elementi allungati 41’. Similmente, il secondo elettrodo 43 ha una rispettiva porzione terminale 43”, la quale è disposta su un lato
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) rispetto agli elemento allungati 43”. Senza alcuna perdita di generalità, le porzioni terminali 41”, 43” sono disposte su lati opposti rispetto all’insieme formato dagli elementi allungati 41’, 43’ del primo e del secondo elettrodo 41, 43.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una regione sensibile 42, la quale si estende al di sopra degli elementi allungati 41’, 43’ del primo e del secondo elettrodo 41, 43 e riempie i summenzionati interstizi 49, contattando la quarta regione dielettrica 34. In vista dall’alto, la regione sensibile 42 ha ad esempio forma quadrangolare.
In maggior dettaglio, e senza alcuna perdita di generalità, la regione sensibile 42 riempie interamente gli interstizi 49 e sovrasta gli elementi allungati 41’, 43’ del primo e del secondo elettrodo 41, 43. Le porzioni terminali 41”, 43” del primo e del secondo elettrodo 41, 43 sono lateralmente sfalsate rispetto alla regione sensibile 42 e sono quindi lasciate esposte da quest’ultima.
Ancora in maggior dettaglio, assumendo che il dispositivo di rilevamento 1 sia configurato per rilevare la concentrazione di una data specie chimica (ad esempio, allo stato fluido, come un composto organico volatile) che viene in contatto con la regione sensibile 42, la regione sensibile 42 è formata da un qualsiasi materiale in grado di esibire una variazione della propria resistività in seguito all’interazione con la summenzionata specie chimica. In
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) maggior dettaglio, la regione sensibile 42 può essere formata, ad esempio, da un ossido di un materiale metallico (“metal oxide”, MOX), quali ad esempio: TiO2, V2O5, WO3, SnO2, ZnO, Fe2O3. In generale, la resistività della regione sensibile 42 varia almeno dell’1% per una variazione di concentrazione di 100ppm. Per esempio, nel caso in cui la regione sensibile 42 sia formata da SnO2, e nell’ipotesi che la specie chimica da rilevare sia l’etanolo, si verifica che la resistività della regione sensibile 42 varia circa del 10% per una variazione di concentrazione di 100ppm dell’etanolo.
Senza alcuna perdita di generalità, il materiale che forma la regione sensibile 42 può essere poroso o nanostrutturato, al fine di incrementare la sensibilità.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una metallizzazione di catodo 52, formata da materiale metallico, la quale si estende attraverso la seconda, la terza e la quarta regione dielettrica 32, 33, 34, fino a contattare la regione di contatto 17.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una metallizzazione di anodo 54, formata da materiale metallico, la quale si estende attraverso la seconda, la terza e la quarta regione dielettrica 32, 33, 34, fino a contattare la regione intermedia 31. In particolare, senza alcuna perdita di generalità, la metallizzazione di anodo 54 contatta una
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) porzione della regione intermedia 31 disposta al di sopra di una corrispondente porzione della prima regione dielettrica 30. Inoltre, la metallizzazione di anodo 54 contatta la porzione terminale 41” del primo elettrodo 41.
Il dispositivo di rilevamento 1 comprende inoltre una cavità 57, la quale si estende attraverso il corpo semiconduttore 3, a partire dalla superficie inferiore Sinf. In particolare, la cavità 57 attraversa il substrato 2, il primo ed il secondo strato epitassiale 6, 8; inoltre, la cavità 57 è lateralmente sfalsata rispetto alla prima regione dielettrica 30, dal momento che è disposta all’esterno di quest’ultima. La cavità 57 si estende quindi attraverso una porzione inferiore della seconda regione dielettrica 32, a distanza dalla terza regione dielettrica 33.
In maggior dettaglio, il riscaldatore 37 è lateralmente sfalsato rispetto alla prima regione dielettrica 30, oltre che alla metallizzazione di anodo 54, ed è disposto in modo da sovrastare, a distanza, la cavità 57. Inoltre, anche il primo ed il secondo elettrodo 41, 43 sono disposti in modo da sovrastare, a distanza, la cavità 57.
Come mostrato ancora in figura 3, almeno parte della serpentina del riscaldatore 37 si estende al di sotto della regione sensibile 42.
In pratica, una porzione della seconda regione dielettrica 32 delimita superiormente la cavità 57, formando
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) una parete 61. Inoltre, tale porzione della seconda regione dielettrica 32 forma, insieme alle porzioni della terza e della quarta regione dielettrica 33, 34 disposte al di sopra della parete 61, una membrana, all’interno della quale si estende il riscaldatore 37, ed al di sopra della quale si estendono il primo ed il secondo elettrodo 41, 43 e la regione sensibile 42. Il riscaldatore 37 è elettricamente isolato dalla regione di anodo 12 e dalla regione sensibile 42.
Ai fini pratici, il primo ed il secondo strato epitassiale 6, 8 e la regione arricchita 14 formano una regione di catodo. Inoltre, la regione sensibile 42 forma una resistore a resistenza variabile (in funzione della concentrazione della specie chimica da rilevare), il quale è elettricamente interposto tra il primo ed il secondo elettrodo 41, 43. A sua volta, il primo elettrodo 41 è elettricamente collegato alla regione di anodo 12. La regione sensibile 42 è quindi collegata in serie al fotodiodo operante in modalità Geiger formato dalla regione di anodo 12 e dalla summenzionata regione di catodo.
In uso, il riscaldatore 37 viene sottoposto ad una tensione ad esempio pari a 2 Volt, ad esempio mediante una prima circuiteria esterna (non mostrata), accoppiata al riscaldatore 37 tramite corrispondenti contatti (non mostrati). In tale modo, per effetto Joule il riscaldatore
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) 37 raggiunge un temperatura ad esempio compresa tra 50°C e 500°C. Grazie all’isolamento fornito dall’aria presente nella sottostante cavità 57, l’aumento di temperatura del riscaldatore 37 comporta un corrispondente aumento di temperatura della regione sensibile 42; in tal modo, viene favorito il verificarsi di reazioni di ossidoriduzione tra la regione sensibile 42 e la specie chimica da rilevare, con conseguente incremento della sensibilità.
La metallizzazione di catodo 52 può essere posta a massa. Il secondo elettrodo 43 viene invece posto, tramite seconda una seconda circuiteria esterna (non mostrata), ad una tensione di polarizzazione inversa VA pari, in modulo, alla tensione di rottura VB della giunzione presente tra la regione di anodo 12 e la regione di catodo, più una tensione VOV, ad esempio pari a -3Volt.
In assenza della corrente di valanga, non scorre corrente all’interno della regione sensibile 42, la quale si trova quindi tutta ad una medesima tensione, pari alla tensione di polarizzazione inversa VA. In seguito all’innesco della corrente di valanga (generata ad esempio in seguito all’assorbimento di un fotone), all’interno della regione sensibile 42 si manifesta una caduta di potenziale, a causa dello scorrere della corrente di valanga all’interno della regione sensibile 42. In particolare, mentre la porzione di regione sensibile 42 che contatta il secondo elettrodo 43
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) rimane alla tensione di polarizzazione inversa VA, la porzione di regione sensibile 42 che contatta il primo elettrodo 41 si trova ad una tensione circa pari alla tensione di rottura VB. Inoltre, la regione sensibile 42 funge da resistore di soppressione (“quenching resistor”), dunque consente di estinguere la corrente di valanga. In seguito all’estinzione della corrente di valanga, la regione sensibile 42 torna ad avere tutta una medesima tensione, pari alla tensione di polarizzazione inversa VA. Da un altro punto di vista, la regione di anodo 12 si ricarica alla tensione di polarizzazione inversa VA, con una tempistica che dipende, tra l’altro, dal valore di resistenza della regione sensibile 42.
La regione sensibile 42 funge quindi da struttura sensibile, la quale interagisce chimicamente con la specie chimica da rilevare, con conseguente variazione della propria resistenza, in funzione della concentrazione della specie chimica da rilevare. La variazione della resistenza della regione sensibile 42 influenza, a sua volta, la forma degli impulsi di corrente a valanga, come mostrato ad esempio in figura 4. In assenza della specie chimica da rilevare, il valore di resistenza della regione sensibile 42 può essere circa pari, ad esempio, a 100MΩ.
In dettaglio, la figura 4 mostra l’andamento nel tempo (in scala logaritmica) della corrente di valanga (anch’essa
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) in scala logaritmica ed indicata con IRs) che si genera all’interno del dispositivo di rilevamento 1, ad esempio in seguito all’assorbimento di un fotone, al variare del valore di resistenza della regione sensibile 42 (indicata con Rq). In particolare, si nota come, all’aumentare del valore di resistenza della regione sensibile 42, si verifichi una riduzione del valore di picco della corrente di valanga, il quale si raggiunge in tempo molto brevi, successivamente all’innesco (in figura 4, la fase di crescita del valore della corrente di valanga, che precede il raggiungimento del picco, non risulta visibile); inoltre, si verifica un aumento della durata del tempo di ricarica. In altre parole, al variare della concentrazione della specie chimica si verifica una variazione della resistenza della regione sensibile 42, la quale causa una corrispondente modulazione del profilo dell’impulso della corrente di valanga nella regione di ricarica. Il dispositivo di rilevamento 1 funge quindi da trasduttore elettrico della concentrazione della specie chimica da rilevare.
Come mostrato ancora in figura 4, e come descritto in maggior dettaglio in seguito, la modulazione della forma dell’impulso della corrente di valanga può essere sfruttata per determinare, appunto, la concentrazione della specie chimica da rilevare. Più in particolare, è possibile sfruttare la variazione della carica ottenibile integrando
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) la corrente di valanga in un intervallo temporale avente durata fissa (nell’esempio mostrato in figura 4, pari a 10ns] ed avente inizio con l’innesco della valanga. Anche tale carica, infatti, varia in funzione della resistenza della regione sensibile 42, e quindi in funzione della concentrazione della specie chimica da rilevare. A tal proposito, si osserva che il profilo dell’andamento della corrente di valanga nel periodo che intercorre tra l’innesco ed il raggiungimento del picco, così come anche nel periodo di soppressione, è scarsamente dipendente dal valore di resistenza della regione sensibile 42; inoltre, il contributo di carica relativo a tale periodo è trascurabile.
In uso, l’accensione di un dispositivo di rilevamento 1 non altera, in prima approssimazione, la polarizzazione dei dispositivi di rilevamento 1 adiacenti. Pertanto, la schiera 220 forma un cosiddetto fotomoltiplicatore di silicio (“Silicon PhotoMultiplier”, SiPM), cioè una schiera di fotodiodi SPAD (nella fattispecie, i dispositivi di rilevamento 1) cresciuti su un medesimo substrato e provvisti di rispettivi resistori di soppressione tra loro disaccoppiati ed indipendenti. Inoltre, i dispositivi di rilevamento 1 sono collegati ad un medesimo generatore di tensione (non mostrato), in modo da essere polarizzati alla summenzionata tensione di polarizzazione inversa VA. Le correnti di valanga generate all’interno dei dispositivi di
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) rilevamento 1 sono multiplate insieme in modo da generare un segnale di uscita del fotomoltiplicatore SiPM, al quale nel seguito ci si riferisce come al segnale di schiera. Il segnale di schiera è pari alla sommatoria dei segnali di uscita dei fotodiodi SPAD, i quali sono appunto formati dalle correnti di valanga. Il segnale di schiera è quindi proporzionale, in prima approssimazione, al numero di fotoni che incidono sulla schiera 220. Per quanto riguarda l’andamento temporale del segnale di schiera, valgono le medesime considerazioni fatte a proposito della figura 4.
Tutto ciò premesso, è possibile avvalersi del sistema di rilevazione 110 mostrato in figura 5, il quale comprende, oltre alla schiera 220, opportunamente alimentata da un corrispondente stadio di alimentazione (non mostrato), anche un preamplificatore 106 (opzionale), un discriminatore 108, un convertitore 120 ed un calcolatore 122. Inoltre, il sistema di rilevazione 110 comprende uno stadio di pilotaggio 124 ed una sorgente ottica 126, formata ad esempio da un diodo LED.
La schiera 220 è collegata elettricamente all’ingresso del preamplificatore 106, la cui uscita è collegata all’ingresso del discriminatore 108; l’uscita del discriminatore 108 è collegata ad un primo terminale di ingresso SIGNAL del convertitore 120. L’uscita dello stadio di pilotaggio 124 è collegata alla sorgente ottica 126 e a
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) un secondo terminale di ingresso START del convertitore 120, la cui uscita è collegata al calcolatore 122.
In uso, lo stadio di pilotaggio 124 comanda la sorgente ottica 126 in modo da generare impulsi ottici, i quali vengono ricevuti dalla schiera 220, la quale, come detto, genera il summenzionato segnale di schiera. A tal fine, lo stadio di pilotaggio 124 genera sulla propria uscita un segnale di temporizzazione, il quale comprende una pluralità di corrispondenti impulsi, ai quali nel seguito ci si riferisce come agli impulsi di emissione. In pratica, per ciascun impulso di emissione, la sorgente ottica 126 genera un corrispondente impulso ottico.
Il preamplificatore 106 amplifica il segnale di schiera, generando un segnale preamplificato.
Il discriminatore 108 confronta il segnale preamplificato, ed in particolare i relativi impulsi, con una soglia, filtrando gli impulsi che non superano tale soglia. In maggior dettaglio, il discriminatore 108 genera un segnale filtrato, il quale comprende i soli impulsi del segnale preamplificato che superano la soglia, in modo da filtrare, ad esempio, i cosiddetti impulsi di buio.
Riferendosi agli impulsi elettrici del segnale filtrato come agli impulsi di rilevazione, si verifica che a ciascun impulso di emissione può corrispondere un impulso di rilevazione. Qualora ad un dato impulso di emissione
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) corrisponda un rispettivo impulso di rilevazione, significa che un fotone dell’impulso ottico emesso dalla sorgente ottica 126 e corrispondente al dato impulso di emissione è stato rilevato dalla schiera 220. Inoltre, l’impulso di rilevazione è ritardato rispetto all’impulso di emissione.
Il convertitore 120 genera un segnale di integrazione di tipo digitale, in funzione del segnale di temporizzazione e del segnale filtrato. Il segnale di integrazione è indicativo, per ciascun impulso di emissione che è stato rilevato dalla schiera 220, dell’integrale della corrente del segnale filtrato, in una finestra temporale che comincia (ad esempio) con il fronte di salita del corrispondente impulso di emissione ed ha una durata temporale fissa (ad esempio, compresa tra 5ns e 100ns). In altre parole, il segnale di integrazione è indicativo della carica trasportata dal segnale filtrato durante la summenzionata finestra temporale.
In maggior dettaglio, riferendosi ancora alla figura 4, si nota come, nell’ipotesi di assumere una finestra temporale di integrazione sufficientemente breve, si verifica una riduzione della carica integrata, all’aumentare del valore di resistenza della regione sensibile 42; a tal proposito, a seconda del materiale che forma la regione sensibile 42, la resistenza della regione sensibile 42 può aumentare oppure diminuire, all’aumentare della concentrazione della specie
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) chimica da rilevare. Ciò premesso, la finestra temporale può essere scelta in modo tale per cui essa termina almeno 50ns prima del punto in cui la curva corrente-tempo relativa al caso in cui la specie chimica è assente si riduce del 20% rispetto al corrispondente valore di picco.
In altre parole, assumendo ad esempio che la regione sensibile 42 sia formata da un materiale tale per cui, all’aumentare della concentrazione della specie chimica da rilevare, si verifica una diminuzione della resistenza, la quantità di carica integrata nella summenzionata finestra temporale aumenta all’aumentare della concentrazione della specie chimica. Pertanto, se la concentrazione della specie chimica supera un certo valore, il valore di resistenza della regione sensibile 42 non è più sufficiente a spegnere la valanga. Tale fenomeno, che non viene descritto ulteriormente, può essere impiegato per rilevare, ad esempio, una condizione potenzialmente pericolosa.
Nuovamente con riferimento al calcolatore 122, esso calcola una stima della concentrazione della specie chimica da rilevare, sulla base del segnale di integrazione e, ad esempio, di una curva di taratura. Ad esempio, la curva di taratura, memorizzata nel calcolatore 122, è stata determinata per via sperimentale e correla valori di carica con corrispondenti valori di concentrazione della specie chimica da rilevare.
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) Il presente dispositivo di rilevamento 1 può essere fabbricato mediante il metodo di fabbricazione che viene descritto qui di seguito.
Come mostrato in figura 6, in modo di per sé noto vengono formati il substrato 2, il primo ed il secondo strato epitassiale 6, 8, la regione arricchita 14, l’anello di guardia 16, la regione di contatto 17 e la prima regione dielettrica 30.
Successivamente, come mostrato in figura 7, viene formata la regione intermedia 31, ad esempio mediante un processo di deposizione di uno strato di polisilicio drogato in situ e un successivo processo di fotolitografia.
In seguito, come mostrato in figura 8, viene formato mediante deposizione uno strato 32’, al quale nel seguito ci si riferisce come al primo strato di processo 32’. Il primo strato di processo 32’ è destinato a formare la seconda regione dielettrica 32. Il primo strato di processo 32’ è formato ad esempio da ossido TEOS ed ha uno spessore pari ad esempio a 1.2μm.
Successivamente, come mostrato in figura 9, viene eseguito un trattamento termico ad una temperatura ad esempio pari a 1000°C, e con una durata ad esempio pari a due minuti. Tale trattamento termico causa la formazione della regione di anodo 12, per diffusione a partire dalla regione intermedia 31.
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) In seguito, come mostrato in figura 10 vengono eseguite in successione due deposizioni di materiale dielettrico (ad esempio, nitruro di silicio ed ossido TEOS), in modo da formare un secondo ed un terzo strato di processo 33’, 34’, destinati a formare, rispettivamente, la terza e la quarta regione dielettrica 33, 34. Inoltre, al di sopra del terzo strato di processo 34’ viene formato il riscaldatore 37, ad esempio mediante un processo di deposizione di materiale metallico ed un successivo processo di fotolitografia.
In seguito, come mostrato in figura 11, viene eseguito un ulteriore processo di deposizione di materiale dielettrico (ad esempio, ossido TEOS), in modo da formare un quarto strato di processo 34” al di sopra del riscaldatore 37 e delle porzioni del terzo strato di processo 34’ lasciate esposte dal riscaldatore 37.
Come mostrato in figura 12, il terzo ed il quarto strato di processo 34’, 34” formano un’unica regione, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione di processo 34’’’. La regione di processo 34’’’ è destinata a formare la quarta regione dielettrica 34 ed è delimitata superiormente dalla superficie superiore Ssup.
Come mostrato ancora in figura 12, in seguito vengono formati il primo ed il secondo elettrodo 41, 43, al di sopra della superficie superiore Ssup, ad esempio mediante un corrispondente processo di deposizione di materiale
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) metallico ed un successivo corrispondente processo di fotolitografia.
Successivamente, come mostrato in figura 13, viene formata la regione sensibile 42, ad esempio mediante deposizione di un resist, un successivo processo di fotomascheratura, un successivo processo di deposizione di un ossido metallico, un successivo processo di “lift off” ed infine un trattamento termico (ad esempio in aria, a 700°C e con una durata di un’ora), per sinterizzare l’ossido metallico rimasto.
In seguito, come mostrato in figura 14, in modo di per sé noto vengono formate la metallizzazione di anodo 52 e la metallizzazione di catodo 54. Tale fase comporta la rimozione selettiva di porzioni della regione di processo 34’’’ e del primo e del secondo strato di processo 32’, 33’; le porzioni rimanenti della regione di processo 34’’’ e del secondo strato di processo 33’ formano rispettivamente la quarta e la terza regione dielettrica 34, 33.
Infine, viene eseguito un attacco (ad esempio, secco), per rimuovere selettivamente materiale semiconduttore, a partire dalla superficie inferiore Sinf, e formare la cavità 57, ottenendo quanto mostrato in figura 1. Tale attacco comporta, tra l’altro, la rimozione selettiva di una porzione del primo strato di processo 32’; la porzione rimanente del primo strato di processo 32’ forma la seconda regione
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) dielettrica 32.
Da quanto è stato descritto ed illustrato precedentemente, i vantaggi che la presente soluzione consente di ottenere sono evidenti.
In particolare, il presente dispositivo consente di rilevare la concentrazione di una specie chimica con un’elevata sensibilità. A tal proposito, grazie alla presenza di un diodo Geiger, il presente dispositivo di rilevamento implementa al suo interno un meccanismo di guadagno. Inoltre, il presente dispositivo di rilevamento è facilmente realizzabile mediante processi tecnologici standard.
In conclusione, è chiaro che modifiche e varianti possono essere apportate a quanto è stato descritto ed illustrato sin qui, senza tuttavia scostarsi dall’ambito di tutela della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, sono possibili forme di realizzazione, in cui il primo e/o il secondo elettrodo 41, 43 hanno forme e/o disposizioni diverse rispetto a quanto descritto. Tuttavia, la disposizione interdigitata del primo e del secondo elettrodo 41, 43 consente di ridurre il valore di resistenza della regione sensibile 42.
La regione sensibile 42 può avere una forma diversa rispetto a quanto descritto. Ad esempio, essa può estendersi
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) anche su almeno una delle porzioni terminali 41”, 43” del primo e del secondo elettrodo 41, 43.
Il corpo semiconduttore 3 può avere una composizione diversa rispetto a quanto descritto. Ad esempio, il substrato 2 può essere di tipo N. Inoltre, il corpo semiconduttore 3 può essere formato da un semiconduttore diverso dal silicio, quale ad esempio carburo di silicio.
Il riscaldatore 37 può essere assente, sebbene esso consenta di incrementare la sensibilità del dispositivo di rilevamento 1.
La metallizzazione di catodo può essere disposta al di sotto del corpo semiconduttore 3.
Anche il metodo di fabbricazione può differire rispetto a quanto descritto. A titolo puramente esemplificativo, la regione di anodo 12 può essere formata per impiantazione, anziché per diffusione.
Infine, tutti i tipi di drogaggio possono essere invertiti rispetto a quanto descritto.
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Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B)

Claims (17)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di rilevamento di una specie chimica, comprendente un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger (2,6,8,12,14), detto fotodiodo a valanga comprendendo un corpo (3) di materiale semiconduttore delimitato da una superficie frontale (Sint) ed includente: - una regione di catodo (6,8,14) di un primo tipo di conducibilità, la quale forma la superficie frontale; e - una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità, estendentesi all’interno della regione di catodo a partire dalla superficie frontale; detto dispositivo di rilevamento (1) comprendendo inoltre: - una regione dielettrica (32, 33, 34), estendentesi al di sopra della superficie frontale; - una regione sensibile (42) disposta al di sopra della regione dielettrica, elettricamente accoppiata alla regione di anodo ed avente una resistenza che dipende dalla concentrazione di detta specie chimica.
  2. 2. Dispositivo di rilevamento secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre un elemento riscaldatore (37), comandabile in modo da generare calore e disposto all’interno della regione dielettrica (32, 33, 34), al di sotto della regione sensibile (42).
  3. 3. Dispositivo di rilevamento secondo la rivendicazione 30 Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) 2, in cui il corpo semiconduttore (3) è delimitato inoltre da una superficie inferiore (Sinf); detto dispositivo di rilevamento (1) comprendendo inoltre una cavità (57), la quale si estende attraverso il corpo semiconduttore, a partire dalla superficie inferiore, ed attraverso una porzione della regione dielettrica (32, 33, 34), detta regione sensibile (42) essendo sovrapposta a detta cavità.
  4. 4. Dispositivo di rilevamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un primo ed un secondo elettrodo (41, 43), disposti sulla regione dielettrica (32, 33, 34), la regione sensibile (42) essendo elettricamente interposta tra il primo ed il secondo elettrodo, il primo elettrodo essendo accoppiato elettricamente alla regione di anodo (12), il secondo elettrodo essendo polarizzabile in modo da polarizzare il fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger (2,6,8,12,14).
  5. 5. Dispositivo di rilevamento secondo la rivendicazione 4, in cui il primo ed il secondo elettrodo (41, 43) sono disposti in modo interdigitato; ed in cui la regione sensibile (42) è disposta almeno in parte tra il primo ed il secondo elettrodo.
  6. 6. Dispositivo di rilevamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione sensibile (42) è formata da un ossido di un materiale metallico. 31 Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B)
  7. 7. Dispositivo di rilevamento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una regione semiconduttiva intermedia (31) del secondo tipo di conducibilità, la quale è interposta tra la regione di anodo (12) e la regione dielettrica (32,33,34); ed in cui la regione sensibile (42) è elettricamente accoppiata alla regione di anodo attraverso la regione semiconduttiva intermedia.
  8. 8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo tipo di conducibilità è una conducibilità di tipo N, e in cui detto secondo tipo di conducibilità è una conducibilità di tipo P.
  9. 9. Schiera di dispositivi comprendente una piastrina (100) di materiale semiconduttore, in cui è formato un numero di dispositivi di rilevamento (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  10. 10. Sistema di rilevamento comprendente: - una sorgente luminosa (126); - uno stadio di pilotaggio (124) configurato per comandare la sorgente luminosa con un segnale di temporizzazione includente una pluralità di impulsi elettrici, in modo da generare una pluralità di impulsi ottici; - una schiera (220) secondo la rivendicazione 9, configurata per ricevere detti impulsi ottici e generare un 32 Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) segnale di corrente includente una pluralità di corrispondenti impulsi di corrente; - uno stadio di integrazione (108, 120) configurato per generare un segnale di uscita indicativo, per ciascun impulso elettrico del segnale di temporizzazione, dell’integrale del corrispondente impulso di corrente in una finestra temporale avente inizio che dipende da detto impulso elettrico ed avente durata fissa; e - uno stadio di elaborazione (122) configurato per determinare una stima della concentrazione della specie chimica, sulla base di detto segnale di uscita.
  11. 11. Metodo di fabbricazione di un dispositivo di rilevamento di una specie chimica, comprendente una fase di formare un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger (2,6,8,12,14), detta fase di formare un fotodiodo a valanga comprendendo una fase di formare un corpo (3) di materiale semiconduttore delimitato da una superficie frontale (Sint), detta fase di formare un corpo semiconduttore comprendendo: - formare una regione di catodo (2,6,8,14) di un primo tipo di conducibilità, la quale forma la superficie frontale; e - formare una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità, la quale si estende all’interno della regione di catodo a partire dalla superficie frontale; detto metodo comprendendo inoltre le fasi di: 33 Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) - al di sopra della superficie frontale, formare una regione dielettrica (32, 33, 34); e - al di sopra della regione dielettrica, formare una regione sensibile (42), elettricamente accoppiata alla regione di anodo ed avente una resistenza che dipende dalla concentrazione di detta specie chimica.
  12. 12. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 11, comprendente inoltre una fase di formare, all’interno della regione dielettrica (32, 33, 34) ed al di sotto della regione sensibile (42), un elemento riscaldatore (37), comandabile in modo da generare calore.
  13. 13. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 12, in cui il corpo semiconduttore (3) è delimitato inoltre da una superficie inferiore (Sinf), detto metodo comprendendo inoltre una fase di formare una cavità (57) che si estende attraverso il corpo semiconduttore, a partire dalla superficie inferiore, ed attraverso una porzione della regione dielettrica (32, 33, 34), detta cavità essendo al di sotto della regione sensibile (42).
  14. 14. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 13, comprendente inoltre una fase di formare, sulla regione dielettrica (32, 33, 34), un primo ed un secondo elettrodo (41, 43), in modo che il primo elettrodo sia accoppiato elettricamente alla regione di anodo (12); ed in cui detta fase di formare una regione sensibile (42) è tale per cui la 34 Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B) regione sensibile è elettricamente interposta tra il primo ed il secondo elettrodo.
  15. 15. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 14, in cui detta fase di formare un primo ed un secondo elettrodo (41, 43) comprende formare il primo ed il secondo elettrodo in modo interdigitato; ed in cui detta fase di formare una regione sensibile (42) comprende formare la regione sensibile in modo che sia disposta almeno in parte tra il primo ed il secondo elettrodo.
  16. 16. Metodo di fabbricazione secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 11 a 15, comprendente inoltre la fase di formare, tra la regione di anodo (12) e la regione dielettrica (32,33,34), una regione semiconduttiva intermedia (31) del secondo tipo di conducibilità, la quale è elettricamente interposta tra la regione sensibile (42) e la regione di anodo.
  17. 17. Metodo di fabbricazione secondo la rivendicazione 16, in cui detta fase di formare una regione di anodo (12) comprende: - dopo l’esecuzione della fase di formare una regione di catodo (2,4,6,8,14), eseguire detta fase di formare una regione semiconduttiva intermedia (31); e successivamente - eseguire un trattamento termico. p.i.: STMICROELECTRONICS S.R.L. Pietro SPALLA 35 Pietro SPALLA (Iscrizione Albo nr.1430/B)
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