IT201800007970A1 - Dispositivo optoelettronico a eterostruttura per l'emissione e il rilevamento di radiazione elettromagnetica, e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

Dispositivo optoelettronico a eterostruttura per l'emissione e il rilevamento di radiazione elettromagnetica, e relativo procedimento di fabbricazione Download PDF

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buffer
semiconductor material
cathode
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Massimo Cataldo Mazzillo
Martino Valeria Cinnera
Antonella SCIUTO
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO OPTOELETTRONICO A ETEROSTRUTTURA PER L'EMISSIONE E IL RILEVAMENTO DI RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA, E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE”
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo optoelettronico a eterostruttura per l’emissione ed il rilevamento di radiazione elettromagnetica, nonché al relativo procedimento di fabbricazione.
Come è noto, una nuova frontiera della ricerca consiste nello sviluppo di sorgenti luminose non classiche, quali sorgenti a bassa potenza in grado di produrre flussi di fotoni con velocità di emissione controllabile, decadimento rapido (pochi nanosecondi) e larghezza di banda spettrale ben definita. In particolare, sorgenti luminose robuste ed economiche in grado di emettere singoli fotoni su richiesta sono al centro di molte tecnologie ottiche con elevati requisiti.
Le sorgenti a singolo fotone presentano caratteristiche spazio-temporali e cromaticità particolari e vantaggiose, grazie alla loro capacità di emettere pochi fotoni (fino a un singolo fotone) ad ogni attivazione (“burst”), con breve tempo di vita (dell’ordine dei nanosecondi), potere irraggiante apprezzabile anche in presenza di bassa eccitazione elettrica e/o ottica, basso consumo, banda di emissione stretta con bassa lunghezza d’onda (includente una banda di emissione nell’intervallo dell’infrarosso) e funzionamento anche a temperatura ambiente. Inoltre, sono sempre più numerose le applicazioni che potrebbero beneficiare della presenza di dispositivi a sorgente a singolo fotone, quali sensori di prossimità a bassa potenza.
Ciò premesso, sono stati proposti dispositivi emettitori di luce a singolo fotone (“Single Photon Light Emitter”, SPLE) formati in piastrine (“dice”) di materiale semiconduttore a larga banda proibita (“wide band gap”), cioè con valore della banda proibita maggiore o uguale a 2,3 eV, quale ad esempio il carburo di silicio (SiC), il nitruro di gallio (GaN) o il diamante. Tuttavia, i dispositivi SPLE proposti si caratterizzano ancora per una ridotta miniaturizzazione, nonché per l’assenza di integrazione con i ben più diffusi fotorilevatori in silicio, quali ad esempio i fotodiodi a valanga operanti in modalità Geiger, anche noti come diodi a valanga a singolo fotone (“Single Photon Avalanche Diode”, SPAD) e descritti ad esempio nella domanda di brevetto USA 2014/0339398.
Più in generale, il problema di integrare emettitori e ricevitori a semiconduttore con elevate efficienze, rispettivamente, di emissione e di rilevazione è particolarmente sentito, anche nel caso di emettitori di tipo non SPLE. Infatti, attualmente gli emettitori ed i ricevitori a semiconduttore più efficienti sono formati da materiali semiconduttivi differenti.
Scopo della presente invenzione è quindi realizzare un dispositivo optoelettronico che superi almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo optoelettronico, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- le figure 1 e 3-8 mostrano schematicamente sezioni trasversali di forme di realizzazione del presente dispositivo optoelettronico;
- la figura 2 mostra schematicamente una vista dall’alto di una regione del dispositivo optoelettronico mostrato in figura 1;
- le figure 9-20 mostrano schematicamente sezioni trasversali del dispositivo mostrato in figura 6, durante fasi successive di un procedimento di fabbricazione; e
- le figure 21-28 mostrano schematicamente sezioni trasversali del dispositivo mostrato in figura 7, durante fasi successive di un procedimento di fabbricazione.
La figura 1 (non in scala, come anche le figure successive) mostra un dispositivo optoelettronico 1, il quale è formato in una piastrina (“die”) di materiale semiconduttore e comprende un emettitore 2 ed un ricevitore 4.
In dettaglio, il dispositivo optoelettronico 1 comprende un corpo semiconduttore 5, il quale comprende, a sua volta, un substrato 6 formato da un silicio e delimitato da una prima superficie superiore Sa1 e da una prima superficie inferiore Sb1. Inoltre, il corpo semiconduttore 5 comprende uno strato epitassiale inferiore 7, il quale è formato da silicio e si estende al di sotto della prima superficie inferiore Sb1.
Ad esempio, il substrato 6 è di tipo N++, ha spessore compreso ad esempio tra 300μm e 500 μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<19 >cm<-3 >e 1*10<20 >cm<-3>.
Lo strato epitassiale inferiore 7 è di tipo N-, ha uno spessore compreso ad esempio tra 5μm e 7μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<14 >cm<-3 >e 5*10<14 >cm<-3>. Lo strato epitassiale inferiore 7 è delimitato inferiormente da una seconda superficie inferiore Sb2.
Attraverso il substrato 6 si estende una prima cavità 10, la quale si estende tra la prima superficie superiore Sa1 e la prima superficie inferiore Sb1, in modo da lasciare esposta una porzione di quest’ultima. Assumendo un asse H perpendicolare alla prima superficie superiore Sa1 e la prima superficie inferiore Sb1, la prima cavità 10 ha ad esempio la forma di un tronco di cono con asse che coincide con l’asse H e con ipotetico apice rivolto verso il basso.
Il corpo semiconduttore 5 comprende inoltre una regione di anodo 12, di tipo P+ e di forma, in vista dall’alto, circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare). Per motivi che saranno chiari successivamente, nel seguito ci si riferisce alla regione di anodo 12 come alla regione di anodo di ricevitore 12.
In dettaglio, la regione di anodo di ricevitore 12 è formata da silicio e si estende in una porzione inferiore dello strato epitassiale inferiore 7, a partire dalla seconda superficie inferiore Sb2. Inoltre, la regione di anodo di ricevitore 12 ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.05μm e 0.4μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<18 >cm<-3 >e 5*10<19 >cm<-3>.
Nello strato epitassiale inferiore 7 si estende altresì una regione arricchita 14, formata da silicio di tipo N+. In particolare, la regione arricchita 14 si estende al di sopra della regione di anodo di ricevitore 12, ed in contatto diretto con quest’ultima. Inoltre, la regione arricchita 14 ha uno spessore pari, ad esempio, a 0.5μm e livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<17 >cm<-3 >e 5*10<17 >cm<-3>.
Senza alcuna perdita di generalità, la regione di anodo di ricevitore 12 è verticalmente allineata alla prima cavità 10. In particolare, nel caso in cui la regione di anodo di ricevitore 12 abbia una forma simmetrica, l’asse di simmetria della regione di anodo di ricevitore 12 può coincidere con l’asse H.
Il corpo semiconduttore 5 comprende inoltre un anello di guardia 16, formato da silicio di tipo P- e con un livello di drogaggio compreso tra 1*10<16>cm<-3 >e 3*10<16>cm<-3>. In particolare, l’anello di guardia 16 si estende nello strato epitassiale inferiore 7, affacciandosi sulla seconda superficie inferiore Sb2. Inoltre, l’anello di guardia 16 ha una forma cava ed è disposto in modo da circondare lateralmente la regione di anodo di ricevitore 12, con cui è in contatto diretto. Inoltre, l’anello di guardia 16 ha uno spessore compreso, ad esempio, tra 1μm e 4μm.
Il dispositivo optoelettronico elettronico 1 comprende inoltre una prima regione dielettrica inferiore 30, la quale si estende al di sotto dello strato epitassiale inferiore 7, a contatto con la seconda superficie inferiore Sb2.
La prima regione dielettrica inferiore 30 è formata da ossido TEOS ed ha la forma di uno strato, in cui è formato un recesso 31, come descritto in maggior dettaglio in seguito; tale strato ha spessore pari, ad esempio, a 1μm ed è delimitato inferiormente da una terza superficie inferiore Sb3. Inoltre, il recesso 31 si estende al di sotto della regione di anodo di ricevitore 12; la regione di anodo di ricevitore 12 è dunque disposta a distanza dalla prima regione dielettrica inferiore 30. In altre parole, mentre la regione di anodo di ricevitore 12 si affaccia su una porzione centrale della seconda superficie inferiore Sb2, la prima regione dielettrica inferiore 30 si estende a contatto con una porzione periferica della seconda superficie inferiore Sb2. Inoltre, la prima regione dielettrica inferiore 30 contatta l’anello di guardia 16.
In maggior dettaglio, il recesso 31 ha ad esempio la forma di un tronco di cono con asse coincidente con l’asse H e con ipotetico apice rivolto verso l’alto.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una regione 32, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione intermedia 32.
In dettaglio, la regione intermedia 32 è formata ad esempio da polisilicio, è di tipo P+, ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, 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 32 include una porzione centrale, che si estende al di sotto della regione di anodo di ricevitore 12, con cui è in contatto diretto, e riveste superiormente e lateralmente il recesso 31. Senza alcuna perdita di generalità, la regione intermedia 32 include inoltre una rispettiva porzione periferica, la quale si estende al di sotto della terza superficie inferiore Sb3.
Sempre senza alcuna perdita di generalità, la regione intermedia 32 può avere una forma provvista di simmetria circolare attorno all’asse H.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una seconda regione dielettrica inferiore 33, la quale è formata ad esempio da nitruro di silicio (Si3N4) e si estende, in contatto diretto, al di sotto della regione intermedia 32 e delle porzioni della prima regione dielettrica inferiore 30 lasciate esposte dalla regione intermedia 32.
In maggior dettaglio, la seconda regione dielettrica inferiore 33 ha in prima approssimazione la forma di uno strato, il quale ha uno spessore compreso ad esempio tra 1μm e 3μm (ad esempio, misurato all’esterno della regione intermedia 32). Inoltre, la seconda regione dielettrica inferiore 33 riempie, insieme alla regione intermedia 32, il summenzionato recesso 31 formato dalla prima regione dielettrica inferiore 30.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una terza regione dielettrica inferiore 34, la quale è formata ad esempio da ossido TEOS e si estende, in contatto diretto, al di sotto della seconda regione dielettrica inferiore 33. Ad esempio, la terza regione dielettrica 34 ha uno spessore compreso tra 1μm e 10μm. Inoltre, la terza regione dielettrica inferiore 34 è delimitata inferiormente da una quarta superficie inferiore Sb4.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una metallizzazione di anodo di ricevitore 41, la quale è formata da materiale metallico (ad esempio, una struttura multistrato includente uno strato di titanio ed uno strato di alluminio, non mostrati singolarmente) e si estende al di sotto della quarta superficie inferiore Sb4, nonché attraverso la terza regione dielettrica inferiore 34 e parte della seconda regione dielettrica inferiore 33, fino a contattare la regione intermedia 32. Sempre senza alcuna perdita di generalità, anche la metallizzazione di anodo di ricevitore 41 può avere una simmetria circolare attorno all’asse H.
Ai fini pratici, la regione di anodo di ricevitore 12 e la regione arricchita 14 formano una prima giunzione PN del ricevitore 4, destinata a ricevere fotoni e a generare corrispondenti coppie di portatori, in seguito all’assorbimento di ciascun fotone. La regione arricchita 14 ha invece lo scopo di confinare un elevato campo elettrico in prossimità della prima giunzione PN, riducendo la tensione di breakdown VB della prima giunzione PN. L’anello di guardia 16 forma una seconda giunzione PN con lo strato epitassiale inferiore 7, in modo da prevenire il breakdown di bordo (“edge breakdown”) della regione di anodo di ricevitore 12.
Come descritto in maggio dettaglio in seguito, il ricevitore 4 forma un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger (”Geiger-mode avalanche photodiode”, GMAP), cioè un fotodiodo a valanga a singolo fotone (“single-photon avalanche photodiode”, SPAD), in quanto capace, teoricamente, di rilevare l’arrivo di singoli fotoni. A tal proposito, la prima giunzione PN del ricevitore 4 può essere polarizzata con una tensione di polarizzazione inversa VA superiore in modulo alla tensione di rottura VB (ad esempio, VB può essere circa pari, in modulo, a 12 Volt, mentre il modulo di VA può essere compreso tra 13 e 15 Volt). In tal modo, la prima giunzione PN presenta una regione svuotata particolarmente estesa, al cui interno è presente un campo elettrico non trascurabile. Conseguentemente, la generazione di una singola coppia elettrone-lacuna (“electron-hole pair”), causata dall’assorbimento all’interno della regione svuotata di un fotone incidente sul ricevitore 4, 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 (più brevemente, impulso di valanga).
Nuovamente con riferimento al corpo semiconduttore 5, esso comprende inoltre uno strato 8, al quale nel seguito ci si riferisce come allo strato buffer 8, ed uno strato epitassiale superiore 9.
In dettaglio, lo strato buffer 8 si estende al di sopra della prima superficie superiore Sa1 ed è formato da carburo di silicio (SiC), ad esempio del politipo 3C. Lo strato buffer 8 è di tipo N, ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.5μm e 1.5μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<18>cm<-3 >e 1*10<19>cm<-3>.
Lo strato epitassiale superiore 9 si estende al di sopra dello strato buffer 8 ed è formato dal medesimo materiale semiconduttore dello strato buffer (in questo caso, carburo di silicio del politipo 3C, 3C-SiC). Lo strato epitassiale superiore 9 è di tipo N, ha uno spessore compreso ad esempio tra 3μm e 5μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<15>cm<-3 >e 5*10<16>cm<-3>. Lo strato epitassiale superiore 9 è delimitato superiormente da una seconda superficie superiore Sa2.
In pratica, lo strato buffer 8 e lo strato epitassiale superiore 9 formano, insieme al substrato 6, una eterostruttura semiconduttiva.
Attraverso lo strato epitassiale superiore 9 e lo strato buffer 8, si estende una seconda cavità 37, comunicante con la sottostante prima cavità 10 ed avente ad esempio forma simmetrica con asse coincidente con l’asse H. La seconda cavità 37 lascia esposta una porzione (indicata con Sx) della prima superficie superiore Sa1 che circonda lateralmente la prima cavità 10.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una regione dielettrica superiore 44, la quale è formata ad esempio da ossido TEOS e si estende al di sopra della seconda superficie superiore Sa2, a contatto con lo strato epitassiale superiore 9. Inoltre, la regione dielettrica superiore 44 riveste la parete laterale della seconda cavità 37, nonché la summenzionata porzione Sx della prima superficie superiore Sa1. Ad esempio, la regione dielettrica superiore 44 ha uno spessore pari a 0,4μm.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una regione di contatto di catodo 24, la quale, in vista dall’alto, ha ad esempio una forma cava (ad esempio, una forma di corona circolare o di cornice quadrangolare).
In particolare, la regione di contatto di catodo 24 è disposta in una trincea 36 che si estende attraverso la regione dielettrica superiore 44, lo strato epitassiale superiore 9, lo strato buffer 8 ed una porzione superiore del substrato 6, in maniera tale per cui una porzione superiore della trincea 36 circonda lateralmente, a distanza, la seconda cavità 37; tale porzione superiore della trincea 36 si estende quindi a distanza anche dalle porzioni della regione dielettrica superiore 44 che rivestono la parete laterale della seconda cavità 37. Inoltre, una porzione inferiore della trincea 36 circonda lateralmente, a distanza, una porzione superiore della prima cavità 10. In maggior dettaglio, e senza alcuna perdita di generalità, la trincea 36 può avere una forma simmetrica attorno all’asse H.
La regione di contatto di catodo 24 comprende una regione esterna 27, disposta più esternamente, ed una regione interna 28, disposta più internamente.
La regione esterna 27 è formata da materiale conduttivo (ad esempio, da una corrispondente struttura multistrato formata da uno strato di titanio ed uno strato di nitruro di titanio, non mostrati singolarmente) ed è disposta in contatto diretto con il corpo semiconduttore 5 e con la regione dielettrica superiore 44. Inoltre, la regione esterna 27 riveste le pareti laterali ed il fondo della trincea 36.
La regione interna 28 è formata da polisilicio (ad esempio, di tipo P+ e con livello di drogaggio compreso tra 1*10<20>cm<-3 >e 3*10<20>cm<-3>) e comprende una parte principale, la quale è circondata lateralmente ed inferiormente dalla regione esterna 27, con cui è in contatto diretto. Una parte secondaria della regione interna 28 sovrasta la trincea 36 e sovrasta, in contatto diretto, una porzione superiore della regione esterna 27 e porzioni adiacenti della regione dielettrica superiore 44.
A titolo puramente esemplificativo, la trincea 36 ha una profondità invariante rispetto ad una coordinata angolare di un sistema di riferimento cilindrico con asse che coincide con l’asse H; tale profondità può essere pari, ad esempio, a 10μm. Inoltre, la regione interna 28 ha una larghezza ad esempio pari a 1μm, mentre la regione esterna 27 ha uno spessore ad esempio pari a 100nm.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una ulteriore regione di anodo 42, alla quale nel seguito ci si riferisce come alla regione di anodo di emettitore 42.
In dettaglio, la regione di anodo di emettitore 42 è formata da carburo di silicio del politipo 3C, di tipo P+, con livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<17>cm-
<3 >e 1*10<18>cm<-3>. In maggior dettaglio, la regione di anodo di emettitore 42 si estende nello strato epitassiale superiore 9, a partire dalla seconda superficie superiore Sa2, e con uno spessore compreso ad esempio tra 200nm e 400nm. Inoltre, la regione di anodo di emettitore 42 si estende attorno alla trincea 36, in modo da circondare lateralmente quest’ultima, a distanza.
In maggior dettaglio, la regione di anodo di emettitore 42 può avere, ad esempio, la forma mostrata in figura 2. In tal caso, la regione di anodo di emettitore 42 ha una forma allungata, la quale include una pluralità di sottoporzioni circolari (in vista dall’alto) concentriche, indicate con 42a e raccordate tra loro da una pluralità di porzioni lineari (in vista dall’alto), indicate con 42b, ciascuna porzione lineare 42b contattando una coppia di corrispondenti porzioni circolari 42a adiacenti.
Come visibile ancora in figura 1, la summenzionata parte secondaria della regione interna 28 non si estende al di sopra della regione di anodo di emettitore 42, cioè è lateralmente sfalsata rispetto a quest’ultima.
Il dispositivo optoelettronico 1 comprende inoltre una metallizzazione di anodo di emettitore 50, la quale si estende attraverso la regione dielettrica superiore 44, in modo da contattare la regione di anodo di emettitore 42, ed una metallizzazione di catodo 52, la quale si estende al di sopra della regione di contatto di catodo 24, in contatto diretto con quest’ultima.
In pratica, la regione di anodo di emettitore 42 e lo strato epitassiale superiore 9 formano una terza giunzione PN, in carburo di silicio, dunque in un materiale semiconduttore diverso dal materiale semiconduttore che forma la prima giunzione PN del ricevitore 4. Tale terza giunzione PN forma l’emettitore 2, il quale opera come un diodo emettitore.
Ancora con riferimento alla terza giunzione PN, dal momento che lo strato buffer 8 ha un livello di drogaggio maggiore rispetto allo strato epitassiale superiore 9, la corrispondente regione svuotata non si estende all’interno dello strato buffer 8. Lo strato buffer 8 è quindi sostanzialmente neutro da un punto di vista elettrico; inoltre, lo strato buffer 8 consente di evitare la crescita diretta dello strato epitassiale superiore 9 a partire dal substrato 6, cosa che potrebbe causare la generazione di un’interfaccia eccessivamente difettosa.
In pratica, il dispositivo optoelettronico 1 integra in una medesima piastrina un fotodiodo SPAD in silicio ed un emettitore in carburo di silicio.
In maggior dettaglio, l’emettitore 2 ed il ricevitore 4 condividono il terminale di catodo, il quale è formato dalla regione di contatto di catodo 24, la quale, come detto, contatta, tra l’altro, sia lo strato epitassiale superiore 9, sia il substrato 6, il quale forma, insieme allo strato epitassiale inferiore 7 ed alla regione arricchita 14, il catodo del ricevitore 4.
In uso, la terza giunzione PN dell’emettitore 2 può essere polarizzata direttamente (ad esempio, ad una tensione compresa tra 2 Volt e 4 Volt), nel qual caso essa emette fotoni (indicati con Fout) con lunghezza d’onda compresa nella regione ultravioletta, visibile e nel vicino infrarosso (“near-infrared”, NIR), cioè compresa tra 200 nm e 1100 nm.
La regione di contatto di catodo 24 assorbe eventuali fotoni Fout provenienti dall’emettitore 2 e diretti verso il ricevitore 4 (in particolare, fotoni nel visibile o nell’ultravioletto), in modo da evitare che quest’ultimo sia illuminato da radiazione che proviene direttamente dall’emettitore 2, cioè da radiazione che non ha interagito con un eventuale campione da analizzare. Inoltre, il ricevitore 4 opera in una cosiddetta modalità di illuminazione dal retro (“back-illuminated”), dunque rileva fotoni (indicati con Fin) che incidono su di esso dopo aver attraversato, in successione, la seconda cavità 37 e la prima cavità 10.
Grazie al fatto che i fotoni Fin incidono sul ricevitore 4 senza dover prima attraversare, tra l’altro, il substrato 6, fa sì che l’efficienza di rilevazione del ricevitore 4 sia ottimizzata, in particolare nel vicino infrarosso. Tale fatto, combinato con l’elevata sensibilità ottenibile in modalità Geiger, fa sì che il ricevitore 4 possa rilevare flussi luminosi molto deboli, anche nel vicino infrarosso. Inoltre, la rilevazione è molto rapida, dal momento che non si verifica l’assorbimento di fotoni nel substrato 6, fenomeno che comporterebbe ritardi dipendenti dal tempo richiesto dai portatori così generati per diffondere fino alla prima giunzione PN.
La figura 3 mostra una diversa forma di realizzazione, che viene ora descritta limitatamente alle differenze rispetto alla forma di realizzazione mostrata in figura 1; inoltre, elementi già presenti nella forma di realizzazione mostrata in figura 1 vengono indicati con i medesimi segni di riferimento, salvo laddove specificato diversamente.
In dettaglio, la parte secondaria della regione interna della regione di contatto di catodo (qui indicate rispettivamente con 128 e 124) sovrasta, a distanza, almeno parte della regione di anodo di emettitore 42. Senza alcuna perdita di generalità, una prima parte della regione di anodo di emettitore 42 è sovrastata dalla metallizzazione di anodo di emettitore 50, mentre una seconda parte della regione di anodo di emettitore 42 è sovrastata, a distanza, dalla parte secondaria della regione interna 128 della regione di contatto di catodo 124, in maniera tale per cui ciascuna porzione della regione di anodo di emettitore 42 è sovrastata alternativamente dalla metallizzazione di anodo di emettitore 50 oppure dalla regione interna 128. In tal modo, i fotoni nel visibile e nel vicino ultravioletto emessi verso l’esterno dall’emettitore 2 vengono assorbiti (principalmente, dalla regione interna 128), migliorando le caratteristiche di purezza spettrale nell’infrarosso della radiazione emessa.
La figura 4 mostra una diversa forma di realizzazione, che viene ora descritta limitatamente alla differenze rispetto alla forma di realizzazione mostrata in figura 1; inoltre, elementi già presenti nella forma di realizzazione mostrata in figura 1 vengono indicati con i medesimi segni di riferimento, salvo laddove specificato diversamente.
In dettaglio, lo strato buffer, qui indicato con 108 è formato da nitruro di alluminio (AlN), è di tipo N, ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.5μm e 1.5μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<18>cm<-3 >e 1*10<19>cm<-3>.
Lo strato epitassiale superiore, qui indicato con 109, è formato da nitruro di gallio (GaN). In particolare, lo strato epitassiale superiore 109 ha un drogaggio di tipo N (ad esempio, ottenuto mediante impiego di atomi di silicio o germanio), ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.4 μm e 0.6 μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 5*10<15 >cm<-3 >e 5*10<16 >cm<-3>.
In pratica, lo strato buffer 108 assolve la funzione di adattare il reticolo cristallino dello strato epitassiale superiore 109, in nitruro di alluminio, al sottostante reticolo cristallino del substrato 6, in silicio. Per tale motivo, lo strato buffer 108 è formato da un materiale semiconduttore avente una costante reticolare intermedia rispetto alle costanti reticolari dei materiali che formano il substrato 6 e lo strato epitassiale superiore 109.
La regione di anodo di emettitore, qui indicata con 142 è stratiforme e forma la seconda superficie superiore Sa2. In particolare, la regione di anodo di emettitore 142 è formata da uno strato di nitruro di gallio (GaN), il quale ha un drogaggio di tipo P (realizzato con magnesio o ferro), ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.1μm e 0.4μm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<18>cm<-3 >e 1*10<19>cm<-3>.
Tra lo strato epitassiale superiore 109 e la regione di anodo di emettitore 142 si estende una struttura a pozzo quantico multiplo 110 (“multiquantum-well structure”, MQW), di tipo di per sé noto.
Ad esempio, sebbene non mostrato in dettaglio, la struttura MQW 110 può essere formata da un numero (ad esempio, pari a cinque) di strati di un primo tipo, intervallati da un ugual numero di strati di un secondo tipo. Ad esempio ciascuno strato del primo tipo può essere formato da nitruro di gallio (GaN) e può avere spessore ad esempio pari a 15nm; ciascuno strato del secondo tipo può essere formato da un nitruro di gallio e indio (InGaN) e può avere spessore ad esempio pari a 3nm. Sia gli strati del primo tipo che gli strati del secondo tipo possono essere sostanzialmente intrinseci (oppure possono essere di tipo N), per quanto riguarda il drogaggio, in maniera tale per cui lo strato epitassiale superiore 109, la regione di anodo di emettitore 142 e la struttura a pozzo quantico multiplo 110 formano una sorta di struttura PIN.
Ancora con riferimento alla figura 4, la regione di contatto di catodo, qui indicata con 524, attraversa sia la regione di anodo di emettitore 142 che la struttura a pozzo quantico multiplo 110, oltre che lo strato buffer 108 e lo strato epitassiale superiore 109. Inoltre, le pareti laterali della trincea 36 sono rivestite da una regione di isolamento 527, al posto della regione esterna 27. In particolare, la regione di isolamento 527 è formata ad esempio da ossido TEOS, ha uno spessore ad esempio pari a 100nm e lascia esposto il fondo della trincea 36, in maniera tale per cui la regione interna 28 contatta il substrato 6, ma è isolata dallo strato buffer 108, dallo strato epitassiale superiore 110 e dalla regione di anodo di emettitore 142.
In generale, la presenza della struttura MQW 110 è opzionale, dunque sono possibili forme di realizzazione (non mostrate) in cui la regione di anodo di emettitore 142 è disposta sullo strato epitassiale superiore 109, in contatto diretto. Tuttavia, la forma di realizzazione mostrata in figura 4 si caratterizza per una migliore efficienza di emissione.
Sono inoltre possibili forme di realizzazione (non mostrate) del tipo mostrato in figura 4, con o senza struttura MQW 110, ed in cui la summenzionata parte secondaria della regione interna è almeno in parte sovrapposta, a distanza, alla regione di anodo di emettitore 142, in modo da migliorare le caratteristiche di purezza spettrale nell’infrarosso della radiazione emessa.
Indipendentemente dall’eventuale estensione della parte secondaria della regione interna sulla regione di anodo di emettitore, sono inoltre possibili forme di realizzazione del tipo mostrato in figura 5, la quale viene ora descritta con riferimento alla sole varianti rispetto alla figura 4.
In dettaglio, la regione di contatto di catodo 24 è del tipo mostrato nelle figure 1 e 3, mentre la struttura MQW 110 è assente; inoltre, lo strato epitassiale superiore 9 forma la seconda superficie superiore Sa2. La regione di anodo di emettitore, qui indicata con 242, ha ad esempio la medesima forma mostrata in figura 1 e si estende nello strato epitassiale superiore 109, a partire dalla seconda superficie superiore Sa2. In aggiunta, la regione di anodo di emettitore 242 è formata da nitruro di gallio di tipo P+ (ad esempio, drogato con magnesio o ferro) ed ha livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<18 >cm<-3 >e 1*10<19 >cm<-3>.
Sono inoltre possibili forme di realizzazione in cui l’emettitore è ottimizzato in modo da avere caratteristiche di emissione nell’infrarosso di tipo sostanzialmente SPLE. In altre parole, per ciascuna delle forme di realizzazione descritte in precedenza, è possibile una corrispondente variante.
A titolo esemplificativo, la figura 6 mostra una forma di realizzazione uguale a quella mostrata in figura 1, ma in cui nell’area attiva dell’emettitore (indicato con 202), e quindi in prossimità della summenzionata terza giunzione PN, sono stati creati difetti nella struttura reticolare, al fine di creare livelli energetici che possono supportare l’emissione a fotoni singoli, principalmente nell’infrarosso.
In maggior dettaglio, il dispositivo optoelettronico 1 comprende una zona ad alta difettosità HD, che si estende a partire dalla seconda superficie superiore Sa2 fino, in prima approssimazione, ad una superficie intermedia SHD, interposta, a distanza, tra la regione di anodo di emettitore 42 e lo strato buffer 8. In pratica, la zona ad alta difettosità HD si estende nella regione di anodo di emettitore 42 ed in una porzione superiore dello strato epitassiale superiore 9 (indicata con HD9), quest’ultima essendo disposta sopra la superficie intermedia SHD; inoltre, la zona ad alta difettosità HD presenta una difettosità reticolare maggiore rispetto alla difettosità presente in una porzione inferiore dello strato epitassiale superiore 9, disposta al di sotto della superficie intermedia SHD.
In maggior dettaglio, la zona ad alta difettosità HD presenta, all’interno del reticolo cristallino del carburo di silicio, atomi appartenenti al IV o all’VIII gruppo della tavola periodica, in modo da non modificare la conducibilità elettrica. Inoltre, nella zona ad alta difettosità HD sono presenti vacanze di atomi di silicio nel reticolo cristallino del carburo di silicio; in particolare, tali vacanze presenti nella zona ad alta difettosità HD possono presentare una concentrazione di almeno 10<13 >atomi/cm<-3>, in maniera tale da essere appunto in concentrazione maggiore rispetto ai valori medi delle vacanze di atomi di silicio nel carburo di silicio nella porzione inferiore dello strato epitassiale superiore 9 e nello strato buffer 8. Tali vacanze sono appunto dovute alla presenza nel reticolo cristallino semiconduttivo di atomi non legati del IV o dell’VIII gruppo.
In uso, in prima approssimazione si può assumere che la regione svuotata della terza giunzione PN coincida con la porzione superiore HD9 dello strato epitassiale inferiore 9; pertanto, tale regione svuotata presenta un livello di difettosità relativamente elevato, favorendo l’emissione di tipo SPLE nell’infrarosso.
In maggior dettaglio, l’emettitore 2 implementa un meccanismo di generazione di luce del tipo descritto in “Silicon carbide light-emitting diode as a prospective room temperature source for single photons” di F. Fuchs et al., https://www.nature.com/articles/srep01637, pubblicato online il 10 aprile 2013, in cui si dimostra che un fotodiodo in carburo di silicio può presentare un picco di emissione non trascurabile a circa 900 nm, tale picco essendo imputabile alla presenza di vacanze (“vacancies”) di atomi di silicio nel carburo di silicio cristallino, ottenibili per irradiazione di elettroni ad elevata energia. In particolare, le vacanze determinano la presenza, all’interno della banda proibita, di livelli energetici discreti, tra i quali avvengono le ricombinazioni dei portatori, le quali comportano l’emissione di luce nel campo del vicino infrarosso (NIR), tale emissione avendo caratteristiche di emissione a singolo fotone.
Analogamente, la figura 7 mostra una variante della forma di realizzazione mostrata in figura 4, in cui la regione ad alta difettosità HD si estende nella regione di anodo di emettitore 142, nella struttura MQW 110 e nello strato epitassiale superiore 9, i quali, come precedentemente spiegato, formano un diodo PIN, la cui regione svuotata si estende, in prima approssimazione, solo nella struttura MQW 110 e nello strato epitassiale superiore 9. Anche in tal caso, dunque, la regione svuotata presenta una difettosità relativamente elevata, favorendo l’emissione di tipo SPLE nell’infrarosso.
Similmente, la figura 8 mostra una variante della forma di realizzazione mostrata in figura 5, in cui la regione ad alta difettosità HD si estende nella regione di anodo di emettitore 242 e nello strato epitassiale superiore 109. In prima approssimazione si può assumere che la regione svuotata si estenda nello strato epitassiale superiore 109, dunque ancora in una zona con difettosità relativamente elevata.
Sia nella forma di realizzazione mostrata in figura 7 che nella forma di realizzazione mostrata in figura 8, la zona ad alta difettosità HD presenta, all’interno del reticolo cristallino semiconduttivo, atomi appartenenti al IV o all’VIII gruppo della tavola periodica; inoltre, nella zona ad alta difettosità HD sono presenti vacanze di atomi di materiale semiconduttivo (in particolare, atomi di indio, gallio e azoto, nel caso di figura 7, ed atomi di gallio ed azoto, nel caso di figura 8), tali vacanze avendo ancora una concentrazione di almeno 10<13 >atomi/cm<-3>, in maniera tale da essere appunto in concentrazione maggiore rispetto al valore medio nello strato buffer 8.
La forma di realizzazione mostrata in figura 6 può essere realizzata eseguendo il procedimento di fabbricazione descritto qui di seguito.
Inizialmente, come mostrato in figura 9, vengono formati il substrato 6 e lo strato epitassiale inferiore 7, nonché un primo strato dielettrico protettivo 70, disposto a contatto con la seconda superficie inferiore Sb2, formato da ossido TEOS ed avente spessore ad esempio pari a 5μm.
Successivamente, come mostrato in figura 10, sulla prima superficie superiore Sb1 viene cresciuto termicamente, in modo di per sé noto, uno strato di carburo di tantalio (TaC), il quale ha uno spessore ad esempio pari a 5μm, ed al quale nel seguito ci si riferisce come allo strato di mascheratura 72.
In seguito, come mostrato in figura 11, lo strato di mascheratura 72 viene attaccato selettivamente (ad esempio, con un attacco secco, “dry etch”), in modo da sagomarlo. Sebbene non mostrato, l’attacco può avvenire mediante impiego di una maschera di resist, che viene rimossa ad attacco terminato. Le porzioni rimanenti dello strato di mascheratura 72 formano una maschera 73 di carburo di tantalio.
In seguito, come mostrato in figura 12, vengono cresciuti termicamente, in successione ed in modo di per sé noto, lo strato buffer 8 e lo strato epitassiale superiore 9. In particolare, lo strato buffer 8 viene cresciuto selettivamente, a partire dalle porzioni della prima superficie superiore Sa1 lasciate esposte dalla maschera 73. Similmente, lo strato epitassiale superiore 9 viene cresciuto selettivamente a partire dallo strato buffer 8. La maschera 73 viene poi rimossa dopo che lo strato epitassiale superiore 9 è stato formato, a partire dallo strato buffer 8.
In maggior dettaglio, la formazione dello strato buffer 8 e dello strato epitassiale superiore 9 causa la contemporanea formazione della seconda cavità 37, il cui fondo è temporaneamente occupato dalla maschera 73, prima della rimozione di quest’ultima.
Successivamente, come mostrato in figura 13, viene formata la regione di anodo di emettitore 42, in modo di per sé noto. In particolare, la formazione della regione di anodo di emettitore 42 prevede che inizialmente venga formata una maschera “hard” 75 di ossido TEOS sulla seconda superficie superiore Sa2, tale maschera “hard” 75 avendo spessore ad esempio pari a 0,8μm; successivamente, viene eseguito un doppio impianto di specie droganti di tipo P, ad esempio alluminio (rappresentato dalle frecce 77), ad una dose ad esempio pari a 5*10<13>cm<-2 >ed energia pari a 30keV e ad una dose pari a 1*10<14>cm<-2 >ed energia pari a 80keV.
In seguito, la maschera “hard” 75 viene rimossa e viene eseguito un processo termico, della durata pari (ad esempio) a circa due ore e ad una temperatura ad esempio pari a circa 1300°C, al fine di attivare le specie droganti impiantate nella regione di anodo di emettitore 42. Sebbene non mostrato, in modo di per sé noto l’esecuzione del trattamento termico può essere preceduta dalla formazione, sullo strato epitassiale superiore 9 ed all’interno della seconda cavità 37, di uno strato polimerico grafitizzato (ad esempio, mediante un rispettivo trattamento termico in ambiente argon, alla temperatura di circa 800°C e della durata di circa trenta minuti); sempre in modo non mostrato, tale strato polimerico grafitizzato viene poi rimosso dopo l’esecuzione del summenzionato trattamento termico per l’attivazione delle specie droganti, ad esempio mediante una iniziale ossidazione termica (ad esempio, mediante esecuzione di un ulteriore trattamento termico a 900°C, della durata di circa trenta minuti ed in ambiente ossigeno) dello strato polimerico grafitizzato ed un successivo attacco umido.
Successivamente, come mostrato in figura 14, viene formata, mediante deposizione di ossido TEOS, la regione dielettrica superiore 44, la quale si estende sullo strato epitassiale superiore 9, sulla regione di anodo di emettitore 42 e sulla parete laterale ed il fondo della seconda cavità 37.
In seguito, in modo di per sé noto e pertanto non illustrato né descritto in dettaglio, viene formato il ricevitore 4, mediante una lavorazione sul retro della piastrina 100. In particolare, come mostrato in figura 15, viene rimosso il primo strato dielettrico protettivo 70 e successivamente vengono formati la regione di anodo 12, la regione arricchita 14, l’anello di guardia 16, la prima, la seconda e la terza regione dielettrica inferiore 30, 33, 34, la regione intermedia 32 e la metallizzazione di anodo di ricevitore 41.
Successivamente, come mostrato in figura 16, a contatto con la quarta superficie inferiore Sb4 viene formato un secondo strato dielettrico protettivo 78, in modo da rivestire la metallizzazione di anodo di ricevitore 41 e le porzioni esposte della terza regione dielettrica inferiore 34. Ad esempio, il secondo strato dielettrico protettivo 78 è formato di polimetilmetacrilato (PMMA) ed ha uno spessore pari, ad esempio, a 5μm.
In seguito, come mostrato in figura 17, viene formata la trincea 36, mediante esecuzione di un primo attacco selettivo di porzioni della regione dielettrica superiore 44 ed un secondo attacco selettivo di sottostanti porzioni di materiale semiconduttore; tali primo e secondo attacco possono essere di tipo secco e possono essere eseguiti mediante impiego di una medesima maschera (non mostrata), la quale è formata ad esempio da resist e viene successivamente rimossa.
In modo non descritto in dettaglio, vengono successivamente formati la regione di contatto di catodo 24, la metallizzazione di anodo di emettitore 50 e la metallizzazione di catodo 52, come mostrato in figura 18. Successivamente, come mostrato in figura 19, viene effettuato un impianto ionico (rappresentato schematicamente dalle frecce 225) tale da creare la zona ad alta difettosità HD. L’impianto 225 viene eseguito con ioni di atomi appartenenti al IV o all’VIII gruppo della tavola periodica, in modo da non modificare la conducibilità della nella zona di impianto. Ad esempio, possono essere impiantati ioni di uno o più tra carbonio C, di silicio Si, di elio He, di argon Ar o neon Ne. L’impianto di carbonio ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<11 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, e un’energia compresa fra 90 keV e 200 keV; l'impianto con silicio ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<11 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, e un’energia compresa fra 200 keV e 400 keV; l'impianto con elio ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<12 >cm<-2 >e 10<14 >cm<-2>, e un’energia compresa fra 30 keV e 80 keV; l’impianto con argon ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<12 >cm<-2 >e 10<14 >cm<-2>, e un’energia compresa fra 200 e 400 keV; e l’impianto con neon ad esempio può avvenire ad una dose compresa fra 10<11 >cm<-2 >e 10<13 >cm<-2>, e un’energia compresa fra 150 e 250 keV. Eventualmente, le energie di impianto possono essere modificate, modulando lo spessore della regione dielettrica superiore 44, che funge da schermo preimpianto.
In figura 19, l’effetto nel substrato 6 del summenzionato impianto di ioni di atomi appartenenti al IV o all’VIII gruppo non viene mostrato, per semplicità ed in considerazione del fatto che, come mostrato in figura 20, viene successivamente eseguito un ulteriore attacco umido selettivo, al fine di formare la prima cavità 10, mediante rimozione di una parte della regione dielettrica superiore 44 che riveste il fondo della seconda cavità 37 e di una sottostante parte di substrato 6, tale parte di substrato 6 essendo stata precedentemente coinvolta nel summenzionato impianto di ioni di atomi appartenenti al IV o all’VIII gruppo. Per lo stesso motivo, in figura 13 non è stato mostrato l’effetto, nella stessa zona, dell’impianto rappresentato dalle frecce 77.
Successivamente, il secondo strato dielettrico protettivo 78 viene rimosso (fase non mostrata) ed il processo di fabbricazione prosegue in modo di per sé noto, ad esempio con operazioni di taglio.
Sempre a titolo esemplificativo, la forma di realizzazione mostrata in figura 7 può essere realizzata eseguendo il procedimento di fabbricazione descritto qui di seguito.
Inizialmente, vengono eseguite le operazioni mostrate in figura 9. Successivamente, come mostrato in figura 21, vengono formati, in modo di per sé noto e mediante crescita epitassiale, lo strato buffer 108, lo strato epitassiale superiore 109, la struttura MQW 110 e la regione di anodo di emettitore 142, la quale forma la seconda superficie superiore Sa2.
In seguito, come mostrato in figura 22, vengono rimosse selettivamente porzioni della regione di anodo di emettitore 142, della struttura MQW 110, dello strato epitassiale superiore 109 e dello strato buffer 108, in modo da formare la seconda cavità 37 ed esporre una porzione del substrato 6, la quale delimita la seconda cavità 37. A tale fine, può ad esempio essere predisposta sulla seconda superficie superiore Sa2 una corrispondente maschera di resist (non mostrata) e successivamente può essere eseguito un attacco umido (“wet etch”).
In seguito, come mostrato in figura 23, viene formata la regione dielettrica superiore 44, la quale si estende sulla seconda superficie superiore Sa2 ed inoltre riveste la parete laterale della seconda cavità 37, nonché la porzione esposta del substrato 6.
In seguito, in modo di per sé noto e pertanto non illustrato né descritto in dettaglio, viene formato il ricevitore 4, mediante una lavorazione sul retro della piastrina 100. In particolare, come mostrato in figura 24, il primo strato dielettrico protettivo 70 viene rimosso e successivamente vengono formati la regione di anodo 12, la regione arricchita 14, l’anello di guardia 16, la prima, la seconda e la terza regione dielettrica inferiore 30, 33, 34, la regione intermedia 32 e la metallizzazione di anodo di ricevitore 41.
Successivamente, come mostrato in figura 25, a contatto con la quarta superficie inferiore Sb4 viene formato il secondo strato dielettrico protettivo 78.
In seguito, come mostrato in figura 26, viene formata la trincea 36, mediante l’esecuzione di un primo attacco selettivo di porzioni della regione dielettrica superiore 44 ed un secondo attacco selettivo di sottostanti porzioni di materiale semiconduttore; tali primo e secondo attacco possono essere eseguiti mediante impiego di una medesima maschera (non mostrata), la quale è formata ad esempio da resist e viene successivamente rimossa.
In modo non descritto in dettaglio, vengono successivamente formati la regione di contatto di catodo 524, la metallizzazione di anodo di emettitore 50 e la metallizzazione di catodo 52, come mostrato in figura 27.
Successivamente, come mostrato in figura 28, viene effettuato un impianto ionico (rappresentato schematicamente dalle frecce 255) tale da creare la zona ad alta difettosità HD. L’impianto 255 viene eseguito con ioni di atomi appartenenti al IV o all’VIII gruppo della tavola periodica. Ad esempio, possono essere impiantati ioni di uno o più tra argo, neon o elio, con corrispondenti dosi e livelli di energia (ad esempio, quelli menzionati a proposito dell’impianto indicato con le frecce 225).
Successivamente, il procedimento di fabbricazione continua come descritto con riferimento alla forma di realizzazione mostrata in figura 6.
Per quanto concerne la forma di realizzazione mostrata in figura 8, essa può essere formata nel medesimo modo della forma di realizzazione mostrata in figura 7, a meno delle seguenti differenze. La struttura MQW 110 non è presente. Inoltre, la regione di anodo di emettitore 242 viene formata mediante impianto, ad esempio di ioni di magnesio, con dose pari a 3*10<14 >cm<-2 >ed energia pari a 100keV; successivamente viene eseguito un trattamento termico a circa 1150°C e della durata di circa un’ora.
I vantaggi che il presente dispositivo optoelettronico consente di ottenere emergono chiaramente dalla descrizione precedente. In particolare, il presente dispositivo optoelettronico integra una sorgente ottica formata da un materiale semiconduttore con ampia banda proibita con un fotodiodo SPAD formato in un diverso materiale semiconduttore, i quali si caratterizzano per elevate efficienze, in particolare nel vicino infrarosso.
Inoltre, l’eterostruttura semiconduttiva descritta è compatibile con i cosiddetti processi CMOS e può essere miniaturizzata, nonché agevolmente incapsulata (“packaged”).
Ancora, l’accoppiamento reticolare tra silicio e materiali con ambia banda proibita risulta migliore rispetto ai tradizionali emettitori III-V.
In aggiunta, la presenza della prima cavità 10 al di sopra del ricevitore 4 fa sì che non sia necessario inserire uno strato semiconduttivo intrinseco che assorba fotoni tra l’anodo ed il catodo del ricevitore 4, cosa che causerebbe un aumento della tensione di breakdown VB.
Il presente dispositivo optoelettronico rappresenta inoltre un dispositivo a tre terminali, in cui l’emettitore ed il ricevitore sono comunque elettricamente ed otticamente disaccoppiati.
Risulta infine chiaro che al dispositivo optoelettronico e al procedimento di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, come precedentemente accennato, il ricevitore può operare in modalità a valanga, ma non Geiger.
Sono inoltre possibili forme di realizzazione del tipo mostrato nelle figure 1, 3, 5, 6 e 8, ma in cui la regione di contatto di catodo è del tipo mostrato nelle figure 4 e 7.
E’ inoltre possibile modificare il procedimento di fabbricazione in modo da localizzare le vacanze nella sola regione di catodo della giunzione di emettitore.
In generale, è inoltre possibile impiegare materiali semiconduttori diversi rispetto a quelli descritti. Tuttavia, l’uso di materiali semiconduttori con banda proibita maggiore di 2,3eV favorisce l’impiego dell’emettitore come SPLE (oltre che come generatore di radiazione blu/ultravioletta), in quanto consente di disporre di un ampio intervallo energetico in cui realizzare, mediante le summenzionate vacanze, livelli energetici intermedi. Peraltro, un buon comportamento SPLE si ottiene anche nel caso in cui solo parte dell’emettitore sia formata da materiale semiconduttore con ampia banda proibita. Ad esempio, nel caso in cui sia presente la struttura MQW, alcuni strati possono essere formati da semiconduttore con banda proibita più ridotta.

Claims (27)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo optoelettronico comprendente un corpo semiconduttore (5), il quale include: - una struttura inferiore di catodo (6,7), formata da un materiale semiconduttore inferiore ed avente un primo tipo di conducibilità; e - una regione buffer (8; 108), disposta sulla struttura inferiore di catodo e formata da un materiale semiconduttore buffer diverso dal materiale semiconduttore inferiore; detto dispositivo optoelettronico comprendendo: - un ricevitore (4) includente una regione di anodo di ricevitore (12), la quale è formata dal materiale semiconduttore inferiore, ha un secondo tipo di conducibilità e si estende nella struttura inferiore di catodo; ed - un emettitore (2; 202), il quale è disposto sulla regione buffer ed include una giunzione semiconduttiva (9, 42; 109, 110, 142; 109, 242) formata almeno in parte da un materiale semiconduttivo superiore, diverso dal materiale semiconduttivo inferiore.
  2. 2. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 1, in cui la giunzione semiconduttiva (9, 42; 109, 110, 142; 109, 242) comprende: - una regione superiore di catodo (9; 109; 109, 110), disposta sulla regione buffer (8; 108), almeno parte della regione superiore di catodo avendo il primo tipo di conducibilità; e - una regione di anodo di emettitore (42; 142; 242) del secondo tipo di conducibilità, disposta sulla regione superiore di catodo.
  3. 3. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 2, in cui il materiale semiconduttivo superiore ha banda proibita maggiore o uguale a 2,3eV; ed in cui almeno una parte della regione superiore di catodo (9; 109; 109, 110) disposta a contatto con la regione di anodo di emettitore (42; 142; 242) e formata dal materiale semiconduttivo superiore presenta vacanze nella struttura cristallina, dovute a ioni o atomi non legati del quarto o dell’ottavo gruppo della tavola periodica.
  4. 4. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 3, in cui dette vacanze presentano concentrazione maggiore rispetto al valore medio di concentrazione di vacanze presenti nella regione buffer (8; 108).
  5. 5. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 4, in cui dette vacanze in detta almeno una parte della regione superiore di catodo (9; 109; 109, 110) hanno una concentrazione di almeno 10<13 >atomi/cm<-3>.
  6. 6. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui la regione di anodo di emettitore (42; 142; 242) ha un livello di drogaggio maggiore del livello di drogaggio di detta parte della regione superiore di catodo (9; 109; 109, 110).
  7. 7. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detto emettitore (202) è un emettitore di luce a singolo fotone.
  8. 8. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, in cui detto materiale semiconduttore superiore è uguale al materiale semiconduttore buffer; ed in cui la regione superiore di catodo (9) comprende uno strato epitassiale superiore (9), il quale è formato dal materiale semiconduttore buffer, ha il primo tipo di conducibilità, è disposto sulla regione buffer (8) ed è delimitato da una superficie superiore di emettitore (Sa2); ed in cui la regione di anodo di emettitore (42) è formata dal materiale semiconduttore buffer e si estende nello strato epitassiale superiore, a partire dalla superficie superiore di emettitore.
  9. 9. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 8, in cui il materiale semiconduttore inferiore ed il materiale semiconduttore buffer sono rispettivamente silicio e carburo di silicio.
  10. 10. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, in cui la regione superiore di catodo (109) comprende uno strato epitassiale superiore (109), il quale è formato dal materiale semiconduttore superiore, ha il primo tipo di conducibilità, è disposto sulla regione buffer (108) ed è delimitato da una superficie superiore di emettitore (Sa2); ed in cui la regione di anodo di emettitore (242) è formata dal materiale semiconduttore superiore e si estende nello strato epitassiale superiore, a partire dalla superficie superiore di emettitore.
  11. 11. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 10, in cui il materiale semiconduttore inferiore, il materiale semiconduttore buffer ed il materiale semiconduttore superiore sono rispettivamente silicio (Si), nitruro di alluminio (AlN) e arseniuro di gallio (GaN).
  12. 12. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 8 a 11, in cui la regione buffer (8) è del primo tipo di conducibilità, detto dispositivo optoelettronico comprendendo inoltre una regione comune di catodo (24) di materiale conduttivo, la quale si estende a partire dalla superficie superiore di emettitore (Sa2), a distanza dalla regione di anodo di emettitore (42; 142), ed attraversa, in contatto diretto, lo strato epitassiale superiore (9; 109), la regione buffer (8; 108) e parte della struttura inferiore di catodo (6,7).
  13. 13. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 7, in cui la regione superiore di catodo (9) comprende: - uno strato epitassiale superiore (109), il quale è formato dal materiale semiconduttore superiore, ha il primo tipo di conducibilità ed è disposto sulla regione buffer (108); e - una struttura a pozzo quantico multiplo (110), disposta sullo strato epitassiale superiore, detta struttura a pozzo quantico multiplo essendo intrinseca oppure avendo il primo tipo di conducibilità; ed in cui la regione di anodo di emettitore (142) è formata dal materiale semiconduttore superiore e si estende sulla struttura a pozzo quantico multiplo.
  14. 14. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 13, in cui il materiale semiconduttore inferiore, il materiale semiconduttore superiore ed il materiale semiconduttore buffer sono rispettivamente silicio (Si), nitruro di gallio (GaN) e nitruro di alluminio (AlN).
  15. 15. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 13 o 14, in cui la regione di anodo di emettitore (142) è delimitata da una superficie superiore di emettitore (Sa2); ed in cui la regione buffer (8) è del primo tipo di conducibilità; detto dispositivo optoelettronico comprendendo inoltre: - una trincea (36), la quale si estende, a partire dalla superficie superiore di emettitore, attraverso la regione di anodo di emettitore (142), la struttura a pozzo quantico multiplo (110), lo strato epitassiale superiore (109) e la regione buffer (108); - una regione comune di catodo (28) di materiale conduttivo, la quale si estende nella trincea; e - una regione di isolamento laterale (527), la quale si estende nella trincea in modo da circondare lateralmente la regione comune di catodo, isolandola dalla regione di anodo di emettitore, dalla struttura a pozzo quantico multiplo, dallo strato epitassiale superiore e dalla regione buffer, la regione comune di catodo contattando la struttura inferiore di catodo (6,7).
  16. 16. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una cavità (10, 37) che si estende attraverso l’emettitore (2; 202), la regione buffer (8; 108) e parte della struttura inferiore di catodo (6,7), in modo da sovrastare, a distanza, la regione di anodo di ricevitore (12).
  17. 17. Dispositivo optoelettronico secondo la rivendicazione 16, quando dipendente dalla rivendicazione 15 o 12, in cui la regione comune di catodo (24; 28) circonda lateralmente almeno parte della cavità (10, 37); ed in cui la giunzione semiconduttiva dell’emettitore (2; 202) si estende all’esterno della regione comune di catodo.
  18. 18. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione inferiore di catodo (6,7) è delimitata da una superficie anteriore di ricevitore (Sa1) e da una superficie posteriore di ricevitore (Sb2); ed in cui la regione buffer (8; 108) è disposta sulla superficie anteriore di ricevitore; ed in cui la regione di anodo di ricevitore (12) si estende nella struttura inferiore di catodo (6,7) a partire dalla superficie posteriore di ricevitore.
  19. 19. Dispositivo optoelettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il ricevitore (4) è un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger.
  20. 20. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo optoelettronico (1), comprendente formare un corpo semiconduttore (5) includente: - una struttura inferiore di catodo (6,7), formata da un materiale semiconduttore inferiore ed avente un primo tipo di conducibilità; e - una regione buffer (8; 108), disposta sulla struttura inferiore di catodo e formata da un materiale semiconduttore buffer, diverso dal materiale semiconduttore inferiore; detto procedimento di fabbricazione comprendendo le fasi di: - nella struttura inferiore di catodo, formare una regione di anodo di ricevitore (12) del secondo tipo di conducibilità, detta regione di anodo di ricevitore essendo formata dal materiale semiconduttore inferiore; - sulla regione buffer, formare un emettitore (2; 202) includente una giunzione semiconduttiva (9, 42; 109, 110, 142; 109, 242) formata almeno in parte da un materiale semiconduttivo superiore, diverso dal materiale semiconduttivo inferiore.
  21. 21. Procedimento secondo la rivendicazione 20, in cui la fase di formare l’emettitore (2; 202) comprende: - sulla regione buffer (8; 108), formare una regione superiore di catodo (9; 109; 109, 110), almeno parte della regione superiore di catodo avendo il primo tipo di conducibilità; e successivamente - sulla regione superiore di catodo, formare una regione di anodo di emettitore (42; 142; 242) del secondo tipo di conducibilità.
  22. 22. Procedimento secondo la rivendicazione 21, in cui il materiale semiconduttivo superiore ha banda proibita maggiore o uguale a 2,3eV, detto procedimento comprendendo inoltre la fase di impiantare atomi non legati del quarto o dell’ottavo gruppo della tavola periodica, in modo da generare vacanze nella struttura cristallina di almeno una parte della regione superiore di catodo (9; 109; 109, 110), detta parte della regione superiore di catodo essendo disposta a contatto con la regione di anodo di emettitore (42; 142; 242) ed essendo formata dal materiale semiconduttivo superiore.
  23. 23. Procedimento secondo la rivendicazione 21 o 22, in cui la struttura inferiore di catodo (6,7) è delimitata da una superficie superiore di ricevitore (Sa1); detto procedimento di fabbricazione comprendendo inoltre le fasi di: - sulla superficie superiore di ricevitore, formare una maschera (73) che lascia esposte porzioni della superficie superiore di ricevitore; successivamente - formare la regione buffer (8) mediante crescita selettiva a partire dalle porzioni esposte della superficie superiore di ricevitore, in modo che detta regione buffer delimiti una porzione inferiore di una cavità superiore (37); e successivamente - mediante crescita selettiva a partire dalla regione buffer, formare uno strato epitassiale superiore (9) di materiale semiconduttore buffer e del primo tipo di conducibilità, in modo che detto strato epitassiale superiore delimiti una porzione superiore di detta cavità superiore e sia delimitato da una superficie superiore di emettitore (Sa2); e successivamente - eseguire detta fase di formare una regione di anodo di emettitore (42), in modo che la regione di anodo di emettitore si estenda nello strato epitassiale superiore, a partire dalla superficie superiore di emettitore.
  24. 24. Procedimento secondo la rivendicazione 23, comprendente inoltre le fasi di: - rivestire la superficie superiore di emettitore (Sa2) e la cavità superiore (37) con una regione dielettrica (44); e successivamente - rimuovere selettivamente porzioni della regione dielettrica, dello strato epitassiale superiore (9), della regione buffer (8) e della struttura inferiore di catodo (6, 7), in modo da formare una trincea che circonda lateralmente la cavità superiore (37) ed è circondata, a distanza, dalla regione di anodo di emettitore (42); e - nella trincea, formare una regione comune di catodo (24) di materiale conduttivo, che contatta almeno la struttura inferiore di catodo.
  25. 25. Procedimento secondo la rivendicazione 24, comprendente inoltre le fasi di: - rimuovere selettivamente porzioni della regione dielettrica (44) che rivestono il fondo della cavità superiore (37) e sottostanti porzioni della struttura inferiore di catodo (6,7), in modo da formare una cavità inferiore 810) che comunica con la cavità superiore (37) e sovrasta, a distanza, la regione di anodo di ricevitore (12).
  26. 26. Procedimento secondo la rivendicazione una qualsiasi delle rivendicazioni da 21 a 22, comprendente le fasi di: - formare uno strato epitassiale superiore (109), il quale è formato dal materiale semiconduttore superiore, ha il primo tipo di conducibilità ed è disposto sulla regione buffer (108); e - formare una struttura a pozzo quantico multiplo (110), disposta sullo strato epitassiale superiore, detta struttura a pozzo quantico multiplo essendo intrinseca oppure avendo il primo tipo di conducibilità; ed in cui la regione di anodo di emettitore (142) è formata mediante crescita epitassiale, sulla struttura a pozzo quantico multiplo, detta regione di anodo di emettitore essendo formata dal materiale semiconduttore superiore.
  27. 27. Procedimento secondo la rivendicazione 26, in cui la regione di anodo di emettitore (142) è delimitata da una superficie superiore di emettitore (Sa2), detto procedimento comprendendo inoltre le fasi di: - formare una cavità superiore (37) che si estende a partire superficie superiore di emettitore (Sa2), attraverso la regione di anodo di emettitore, la struttura a pozzo quantico multiplo (110), lo strato epitassiale superiore (109) e la regione buffer (108); - rivestire la superficie superiore di emettitore e la cavità superiore (37) con una regione dielettrica (44); e successivamente - rimuovere selettivamente porzioni della regione dielettrica, della regione di anodo di emettitore, della struttura a pozzo quantico multiplo, dello strato epitassiale superiore, della regione buffer e della struttura inferiore di catodo (6, 7), in modo da formare una trincea (36) che circonda lateralmente la cavità superiore (37); e - nella trincea, formare una regione comune di catodo (24) di materiale conduttivo e una regione di isolamento laterale (527), la quale circonda lateralmente la regione comune di catodo, isolandola dalla regione di anodo di emettitore, dalla struttura a pozzo quantico multiplo, dallo strato epitassiale superiore e dalla regione buffer, la regione comune di catodo contattando la struttura inferiore di catodo.
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