IT202000018760A1 - Dispositivo sensore di radiazione elettromagnetica a doppio fotodiodo - Google Patents

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Jacopo Frigerio
Giovanni Isella
Andrea Ballabio
Iacovo Andrea De
Lorenzo Colace
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Milano Politecnico
Univ Degli Studi Roma Tre
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Description

?Dispositivo sensore di radiazione elettromagnetica a doppio fotodiodo?
DESCRIZIONE
CAMPO TECNICO
La presente invenzione si riferisce ai sensori di radiazione elettromagnetica del tipo a doppio fotodiodo.
STATO DELL'ARTE
I sensori di radiazione elettromagnetica a doppio fotodiodo consentono di rivelare un segnale ottico in due bande spettrali diverse.
La prima dimostrazione di come l?utilizzo di due fotodiodi in configurazione back-to-back consente di rivelare un segnale ottico in due bande spettrali diverse ? riportata nell?articolo J.C. Campbell et al. ?Dualwavelength demultiplexing InGaAsP photodiode?, Applied Physics Letters 34, 401 (1979).
In questo articolo si descrive l?impiego di due strati di InGaAsP (con diverse concentrazioni dei singoli elementi chimici) come elementi fotosensibili nelle bande 0,8-1,1 ?m e 1,0-1,3 ?m. La struttura ? depositata su un substrato di InP e possiede tre contatti metallici indipendenti.
Il documento E.R. Blazejewski et al., ?Bias-switchable dual-band HgCdTe infrared photodetector?, J. Vac. Sci. Tech. B, 10, 1626 (1992) descrive una configurazione back-to-back utilizzata per realizzare un sensore ottico attivo nel medio e lontano infrarosso, utilizzando come strati attivi due leghe di HgCdTe depositate su un substrato di CdZnTe. In questo caso il dispositivo ? fotosensibile nelle bande 2-4,3 um e 4,5-8,2 um.
Il documento L. Colace et al., ?Solid state wavemeter with InGaAsP/lnGaAs two-diode heterostructure?, Electronics Letters 38,735 (2002) descrive una struttura back-to-back che utilizza due strati di InGaAsP con band gap diversi depositati su InP per misurare la lunghezza d?onda di un laser in un intervallo di 30 nm.
Il documento US-A-6342720 descrive un fotorilevatore costituito da un doppio diodo composto da un diodo Schottky in silicio e da un diodo SiGe di tipo PIN.
Il documento US-A-6043517 divulga un fotorilevatore che opera per due intervalli di lunghezze d'onda e si compone di due rivelatori disposti uno sopra l'altro. Un diodo Schottky in silicio forma un primo rivelatore che assorbe la luce con lunghezza d?onda inferiore a 0,9 ?m. Un secondo rivelatore (un diodo Si/SiGe) assorbe la luce con lunghezza d?onda maggiore di 1?m e minore di 2 ?m.
Il documento E. Talamas Simola et al. ?Voltage-tunable dual-band Ge/Si photodetector operating in VIS and NIR spectral range? Vol. 27, No. 6; 18/03/2019, OPTICS EXPRESS 8529, descrive un dispositivo avente una struttura epitassiale al germanio su silicio costituita da due fotodiodi collegati back-to-back e tale da operare come fotorivelatore per un?ampia banda di lunghezze d?onda.
SOMMARIO DELL?INVENZIONE
La presente invenzione affronta il problema di fornire un sensore di radiazione elettromagnetica, del tipo a due fotodiodi in configurazione backto-back, che abbia una struttura alternativa a quelle note, senza risultare di complessa fabbricazione e che sia compatibile con le tecniche di lavorazione dell?elettronica CMOS consentendo, di conseguenza, l?integrazione del sensore con i moduli elettronici di controllo e di lettura del sensore stesso. Secondo un primo aspetto, la presente invenzione ha per oggetto un dispositivo sensore di radiazione elettromagnetica a doppio fotodiodo come definito nella rivendicazione indipendente 1 e da sue forme di realizzazione particolari, come definite dalle rivendicazioni dipendenti 2-13.
In accordo con un secondo aspetto, la presente invenzione ha per oggetto un sistema di rivelazione di una radiazione elettromagnetica secondo la rivendicazione 14 e da una sua forma di realizzazione particolare, come definita dalla rivendicazione dipendente 15.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione viene qui di seguito dettagliatamente descritta, a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento agli allegati disegni, nei quali:
- la figura 1 mostra lo schema circuitale di un dispositivo sensore a due fotodiodi in configurazione back-to-back;
- la figura 2 mostra esemplificativamente l?andamento della corrente generata dal dispositivo sensore in funzione della lunghezza d?onda e della tensione di regolazione;
- la figura 3 mostra, secondo una prima forma di realizzazione, una sezione trasversale della struttura del dispositivo sensore integrato in un substrato di materiale semiconduttore;
- la figura 4 mostra una vista in pianta della struttura del dispositivo sensore della prima forma di realizzazione;
- la figura 5 mostra, in accordo con una seconda forma di realizzazione, una sezione trasversale di una struttura di detto sensore integrato in un substrato di materiale semiconduttore;
- la figura 6 mostra, in accordo con una terza forma di realizzazione, una sezione trasversale di una struttura di detto sensore integrato in un substrato di materiale semiconduttore;
- la figura 7 mostra, in accordo con una quarta forma di realizzazione, una sezione trasversale di una struttura di detto sensore integrato in un substrato di materiale semiconduttore;
- la figura 8 mostra, in accordo con una quinta forma di realizzazione, una sezione trasversale di una struttura di detto sensore integrato in un substrato di materiale semiconduttore
- la figura 9 mostra schematicamente un sistema di rivelazione dello spettro includente detto dispositivo sensore.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Nella presente descrizione, elementi o componenti analoghi o identici saranno indicati nelle figure con lo stesso simbolo identificativo.
La figura 1 mostra lo schema circuitale di un dispositivo sensore a doppio fotodiodo 10 (indicato nel seguito anche come ?sensore?, per brevit?). Il sensore 10 comprende un primo fotodiodo PD1 ed un secondo fotodiodo PD2 disposti in configurazione ?back-to-back? cio?, con catodi (o anodi) elettricamente collegati fra loro. Tali primo e secondo fotodiodo PD1 e PD2 sono regolabili applicando un?opportuna tensione VB ai rimanenti anodi (o catodi).
In particolare, il primo fotodiodo PD1 (di seguito, anche chiamato ?diodo PD1?) ? ottenuto a partire da un materiale semiconduttore con gap energetica (cio?, banda proibita) Eg1 ed il secondo fotodiodo PD2, ? ottenuto a partire da un altro materiale semiconduttore con gap energetica Eg2< Eg1.
Il primo diodo PD1 ? configurato per raccogliere e convertire in un segnale elettrico (cio? una fotocorrente Iph) la radiazione con lunghezza d?onda ? compresa tra una prima lunghezza d?onda minima ?min(PD1) e una prima lunghezza d?onda massima ?max(PD1)=hc/Eg1 (con hc costanti universali).
Il secondo fotodiodo PD2 (chiamato, nel seguito anche ?diodo PD2?) ? configurato per raccogliere e convertire in un segnale elettrico (una corrispondente fotocorrente Iph) la radiazione con lunghezze d?onda che vanno da una seconda lunghezza d?onda minima ?min(PD2) a una seconda lunghezza d?onda massima ?max(PD2)= hc/Eg2 con ?min(PD2) < ?max(PD1).
Ad esempio nel caso del silicio, valori indicativi di ?min(PD1) e ?max(PD1) sono 400 nm e 1100 nm rispettivamente e, nel caso del germanio, i valori indicativi di ?min(PD2) e ?max(PD2) sono 400 nm e 1800 nm, rispettivamente.
Una prima forma di realizzazione esemplificativa della struttura del sensore 10 ? illustrata in figura 3 e in 4 (nelle quali i vari strati rappresentati non sono necessariamente in scala). Nella descrizione che segue si far?, esemplificativamente, riferimento ai materiali silicio e germanio.
Come mostrato in figura 3 e in figura 4, il sensore 10 comprende un substrato 25 in un primo materiale semiconduttore (nell?esempio, mostrato, il silicio) avente, ad esempio, un drogaggio di tipo p. Il substrato 25 definisce una prima faccia 30 ed una contrapposta seconda faccia 32.
La prima faccia 30 costituisce una regione esposta dalla quale penetra la radiazione elettromagnetica EMR. Si noti che il substrato 25 del sensore 10 di figura 3 potrebbe essere di tipo n.
Nel substrato 25 ? formata una prima regione drogata 31, dello stesso materiale del substrato, ma con un drogaggio opposto a quello del substrato 25 e cio?, secondo l?esempio, con un drogaggio di tipo n. La prima regione drogata 31 si estende dalla seconda faccia 32 del substrato 25 verso l?interno del substrato stesso, senza raggiungere, la prima faccia 30.
Si noti che tale prima regione drogata 31 ? destinata ad operare come elettrodo comune (secondo l?esempio, un catodo) al primo diodo PD1 e al secondo diodo PD2.
All?interno del substrato 25 ? formata una seconda regione drogata 33 avente, secondo l?esempio, un drogaggio dello stesso tipo del substrato 30 ma pi? elevato, cio? un drogaggio di tipo p+. La seconda regione drogata 33 si sviluppa dalla seconda faccia 32 verso l?interno del substrato 25 senza raggiungere la prima faccia 30, con una profondit? inferiore, ad esempio, a quella della prima regione drogata 31.
Ad esempio, la seconda regione drogata 33 si sviluppa all?interno del substrato 25 in modo da circondare lateralmente, ad anello aperto, la prima regione drogata 31.
Si noti che la seconda regione drogata 33 ? destinata ad operare come ulteriore elettrodo (in questo esempio, come anodo) per il primo diodo PD1.
Inoltre, il sensore 10 comprende uno strato in un secondo materiale semiconduttore 34 (in germanio, secondo l?esempio) disposto sulla seconda faccia 32 del substrato 25 e in modo da risultare a contatto con la prima regione drogata 31. Tale strato in germanio 34 ?, per esempio, in germanio intrinseco. Lo strato in germanio 34 e tale da definire una terza faccia 35 contrapposta alla seconda faccia 32.
Ad esempio, lo strato in germanio intrinseco 34 risulta affacciato a parte della prima regione drogata 31 (in particolare, ad una sua porzione centrale), senza ricoprirla interamente.
Si noti che, secondo l?esempio, lo strato in germanio 34 ? destinato ad operare come strato intrinseco del secondo diodo PD2.
Sopra la terza faccia 35 dello strato in germanio intrinseco 34 ? disposto uno strato drogato 36 (in germanio) avente, secondo l?esempio, un drogaggio elevato di tipo p (cio?, un drogaggio p+). Lo strato drogato 36 ? destinato ad operare come anodo per il secondo diodo PD2.
Il sensore 10 ? dotato di contatti metallici disposti in modo da contattare la seconda regione drogata 33 in corrispondenza di detta seconda faccia 32 e lo strato drogato (36).
In particolare, secondo la forma di realizzazione di figura 3, il sensore 10 ? dotato di un primo strato metallico 37 disposto al di sopra seconda regione drogata 33 (cio? dell?anodo del primo diodo PD1), in modo da formare un primo contatto ohmico BC.
Inoltre, il sensore 10 comprende un secondo strato metallico 38 che forma un secondo contatto ohmico TC elettricamente collegato allo strato drogato 36.
Secondo tale prima forma di realizzazione, il collegamento fra il secondo contatto ohmico TC e lo strato drogato 36 (cio?, l?anodo del secondo diodo PD2) ? realizzato mediante una prima sacca ad elevato drogaggio 39 (cio?, una sacca ad alta conducibilit?) e una seconda sacca ad elevato drogaggio 40.
La prima sacca ad elevato drogaggio 39 si estende dalla seconda faccia 32 verso l?interno della prima regione drogata 31 (di tipo n) e presenta, secondo l?esempio, un drogaggio di tipo p+. Il secondo contatto ohmico TC ? disposto sulla seconda faccia 32 a contatto con una porzione della sacca ad elevato drogaggio 39.
La seconda sacca ad elevato drogaggio 40 si estende, all?interno dello strato in germanio 34, dallo strato drogato 36 (con cui ? in contatto) fino alla prima sacca ad elevato drogaggio 39 in corrispondenza della seconda faccia 32. Secondo l?esempio, la seconda sacca ad elevato drogaggio 40 ? in germanio con drogaggio di tipo p+.
Riepilogando, il primo diodo PD1 ? formato dalla prima regione drogata 31, da una porzione del substrato 25 e dalla seconda regione drogata 33. Il secondo diodo PD2 comprende la prima regione drogata 31, lo strato in germanio intrinseco 34, lo strato drogato 36, la prima e la seconda sacca ad elevato drogaggio 39 e 40.
Il sensore 1 pu? essere realizzato con tecniche di integrazione in materiale semiconduttore di tipo tradizionale, compatibili con le tecniche di integrazione CMOS.
Per esempio, la prima regione drogata 31, la seconda regione drogata 33, lo strato drogato 36, la prima sacca ad elevato drogaggio 39 e la seconda sacca ad elevato drogaggio 40 possono essere formate per mezzo di tecniche di impiantazione e/o tramite spin-on dopant e/o tecniche di deposizione (tra cui epitassia, sputtering, evaporazione).
Lo strato in germanio intrinseco 34 pu? essere realizzato tramite tecniche di deposizione chimica e/o fisica come: epitassia, sputtering, evaporazione o anche trasferimento come wafer bonding.
Ad esempio, lo strato in germanio intrinseco 34 pu? essere spesso da 500 nm a 3 ?m. In accordo con l?esempio, lo strato drogato 36 (cio?, l?anodo del secondo diodo PD2) pu? essere spesso da 5 a 200nm.
Lo strato in germanio intrinseco 34 ? interamente compreso nella prima regione drogata 31 del substrato di silicio 25 e, perci?, ? possibile depositare lo strato in germanio intrinseco 34 per mezzo di tecniche come deposizione selettiva (ad esempio deposizione in finestre di ossido), oppure ? possibile depositare lo strato di germanio 34 su tutto il substrato 25 e poi definire la geometria dello strato 34 stesso tramite tecniche di rimozione selettiva (fotolitografia).
Il primo diodo PD1, essendo realizzato in silicio, ? tale da raccogliere e convertire in un segnale elettrico (cio?, la corrente Iph) la radiazione nel visibile e nel vicino infrarosso e quindi la radiazione avente, indicativamente, una lunghezza d?onda minima ?min(PD1) di 400nm e una lunghezza d?onda massima ?max(PD1) di 1100 nm. La banda del visibile VIS (Visible) ?, come noto, inclusa nell?intervallo di lunghezze d?onda 400 nm- 700 nm. La banda del vicino infrarosso NIR (Near InfraRed) si estende dai 700 nm ai 1100 nm.
Il secondo diodo PD2 realizzato almeno parzialmente in germanio, ? configurato per raccogliere e convertire in un segnale elettrico (cio?, la corrente Iph) la radiazione avente, indicativamente, lunghezza d?onda minima <?>min<(PD2) 400 nm e lunghezza d?onda massima ?>max<(PD2) di 1800 nm.>
Come noto, la banda del vicino infrarosso NIR (Near InfraRed) si estende dai 700 nm ai 1100 nm, mentre la banda dell?infrarosso ad onda corta SWIR (Short Wave InfraRed) ? inclusa nell?intervallo di lunghezze d?onda 1100 nm -3000 nm.
In altre parole, il sensore 10, se fabbricato utilizzando silicio per il fotodiodo PD1 e germanio per il fotodiodo PD2 come mostrato nella forma di realizzazione particolare di figura 3, pu? operare nel visibile, nel vicino infrarosso fino a parte dell?infrarosso ad onde corte.
In merito al funzionamento del sensore 10, si noti che la tensione di polarizzazione VB ? convenzionalmente intesa come differenza di potenziale fra il secondo contatto ohmico TC e il primo contatto ohmico BC. Secondo tale definizione, per tensioni di polarizzazione VB positive, il secondo diodo PD2 si polarizza direttamente e il primo diodo PD1 si polarizza inversamente, e viceversa per tensioni VB negative.
Quando il sensore 10 ? illuminato dal lato del semiconduttore con gap energetica Eg1 (cio?, alla prima faccia 30 del diodo PD1, secondo l?esempio) il primo fotodiodo PD1 assorbir? la parte di radiazione luminosa a pi? alta energia ed il secondo fotodiodo PD2 sar? investito dalla sola radiazione luminosa che non pu? essere assorbita dal semiconduttore a gap Eg1.
Il fotodiodo realizzato con il semiconduttore con gap Eg1 (cio? il primo diodo PD1) ?, quindi, in grado di generare fotocorrente solo in presenza di una radiazione luminosa a bassa lunghezza d?onda (?<hc/Eg1, con hc costanti universali) mentre, al contrario, il secondo fotodiodo PD2 risponde solamente ai fotoni con lunghezza d?onda ? maggiore di ?max(PD1) e minore di ?max(PD2):
La fotocorrente complessivamente generata dal sensore 10 sar? data dalla differenza fra le fotocorrenti generate dai due diversi fotodiodi PD1 e PD2.
Tale fotocorrente Iph ? misurabile collegandosi al primo e al secondo contatto ohmico BC e TC con un relativo sistema elettronico di condizionamento e acquisizione.
Pi? in dettaglio, quando il primo diodo PD1 ? polarizzato inversamente esso ? in grado di generare la fotocorrente Iph se illuminato con radiazione con lunghezza d?onda ? compresa tra ?min(PD1) e ?max(PD1), mentre il secondo diodo PD2 ? polarizzato in diretta ed ? quindi otticamente non attivo, ma consente la circolazione della corrente Iph.
Viceversa, quando il secondo diodo PD2 ? polarizzato inversamente esso ? in grado di generare la fotocorrente Iph (se illuminato con radiazione lunghezza d?onda ? compresa tra ?max(PD1) e ?max(PD2), mentre il primo diodo PD1 ? polarizzato in diretta ed ? quindi otticamente non attivo, ma consente la circolazione della corrente Iph.
Agendo sulla tensione di polarizzazione VB ? possibile selezionare elettricamente la risposta spettrale del sensore 10. La figura 2 mostra, esemplificativamente, l?andamento della corrente Iph in funzione della lunghezza d?onda, per due valori estremi della tensione di polarizzazione VB.
A seconda della tensione di polarizzazione VB applicata sar? possibile modificare l?efficienza di raccolta delle due giunzioni associate ai due diodi PD1 e PD2; in particolare, all?aumentare dell?efficienza di raccolta della <giunzione con gap E>g1 <si osserver? una diminuzione dell?efficienza di raccolta della giunzione con gap E>g2 <e viceversa. Questo approccio permette di variare >con continuit? lo spettro di responsivit? del sensore 10.
Si osservi che, nonostante nell?esempio di figura 1 ci si sia riferiti all?utilizzo di silicio e germanio, il sensore 10 pu? essere fabbricato con altri materiali semiconduttori. Ad esempio, altri possibili materiali in grado di soddisfare le sopramenzionate relazioni tra le bande di fotorisposta del primo diodo PD1 e/o del secondo diodo PD2 comprendono materiali semiconduttori scelti fra una delle seguenti tipologie:
a) semiconduttori III-V (ad esempio, GaAs, InAs, InP ) e loro leghe;
b) semiconduttori II-VI (ad esempio, ZnSe, ZnTe, CdSe, CdTe, HgTe, PbS, PbSe) e loro leghe;
c) semiconduttori IV (ad esempio, Si, Ge, GeSn ) e loro leghe.
La forma di realizzazione del sensore 10 sopra descritta risulta di non complessa fabbricazione e, inoltre, ha il vantaggio di presentare i contatti metallici del sensore da uno stesso lato del substrato 25 in cui ? integrato risultando, quindi, di tipo ?planare?.
La planarit? del dispositivo sensore 10 ne permette l?integrazione monolitica su substrati di silicio in cui siano presenti altri circuiti elettronici realizzati con le tecniche di lavorazione CMOS. In tal modo ? possibile realizzare contemporaneamente il dispositivo sensore e il sistema elettronico di condizionamento e acquisizione sullo stesso substrato, impiegando tecnologie di lavorazione analoghe e che rappresentano uno standard industriale.
Anche laddove si scelga di realizzare il solo dispositivo sensore 10 su un substrato in silicio, la presenza di contatti metallici TC e BC posti sulla medesima faccia del dispositivo facilita il successivo collegamento di quest?ultimo a circuiti e sistemi elettronici esterni per il condizionamento e l?acquisizione del segnale di fotocorrente.
In quest?ultimo caso, il dispositivo sensore 10 pu? essere collegato alla circuiteria esterna tramite tecniche di microsaldatura (bump-bonding, wire bonding, Cu-Cu bonding) oppure attraverso una scheda elettronica di connessione (PCB), come sar? precisato anche pi? avanti.
La figura 5 si riferisce ad una seconda forma di realizzazione del sensore 10, analoga a quella delle figure 3 e 4 ma in cui il secondo contatto ohmico TC ? realizzato mediante uno strato metallico 41 che ricopre lo strato drogato 36 (p+, Ge) e la seconda sacca ad elevato drogaggio 40, contattando la prima sacca ad elevato drogaggio 39 in corrispondenza della seconda faccia 32. In questo caso, il secondo contatto ohmico TC risulta direttamente collegato anche allo strato drogato 36 ed alla seconda sacca ad elevato drogaggio 40, garantendo una migliore distribuzione del campo elettrico all?interno del secondo fotodiodo PD2 e diminuendo gli effetti di resistenza serie.
La figura 6 si riferisce ad una terza forma di realizzazione del sensore 10, analoga a quella delle figure 3 e 4, ma nella quale non sono previste la prima e la seconda sacca ad elevato drogaggio 39 e 40. Nella forma di realizzazione di figura 6, il secondo contatto ohmico TC ? realizzato mediante un quarto strato metallico 42 che ricopre lo strato drogato 36, risultando distanziato dalla seconda faccia 32. In questo caso, l?assenza delle sacche ad elevato drogaggio 39 e 40 permette di semplificare ulteriormente il processo di fabbricazione del dispositivo sensore.
La figura 7 si riferisce ad una quarta forma di realizzazione del sensore 10, analoga alla terza forma di realizzazione di figura 6 ma nella quale il secondo contatto ohmico TC ? ottenuto mediante uno quinto strato metallico 43 che ricopre solo parzialmente lo strato drogato 36.
Inoltre, secondo la quarta forma di realizzazione del sensore 10, il primo strato metallico 37 (che forma il primo contatto ohmico BC) ed il quinto strato metallico 43, (che forma il secondo contatto ohmico TC) si sviluppano verticalmente all?interno di uno strato isolante 44 (ad esempio, in biossido di silicio) disposto in modo da ricoprire parte della seconda faccia 32 e parte dello strato drogato 36.
In particolare, il primo strato metallico 37 e il quinto strato metallico 43 formano, su una faccia libera 45 dello strato isolante 44, una prima piazzola di contatto 46 e una seconda piazzola di contatto 47, rispettivamente. .
Questo quarta forma di realizzazione permette di realizzare tutti i contatti metallici alla stessa altezza in corrispondenza della faccia libera 45; di conseguenza, la connessione del dispositivo sensore 10 ad eventuali sistemi elettronici esterni risulta pi? facile a causa dell?assenza di dislivelli fra i vari contatti metallici.
La figura 8 si riferisce ad una quinta forma di realizzazione del sensore 10, analoga alla prima forma di realizzazione di figura 3 ma comprendente inoltre un terzo contatto ohmico FC (isolato elettricamente dal primo e dal secondo contatto ohmico BC e TC), realizzato da un corrispondente strato metallico.
Tale terzo contatto ohmico FC si estende sulla seconda faccia 32 al di sopra di una terza sacca ad elevato drogaggio 48. La terza sacca ad elevato drogaggio 48 ?, secondo l?esempio, in silicio ed ? realizzata internamente alla prima regione drogata 31, presentando un drogaggio pi? elevato ma dello stesso tipo di quello della prima regione drogata 31, cio? secondo l?esempio, un drogaggio n+.
Il terzo contatto ohmico FC, posto a contatto con la prima regione drogata 31 (che opera come catodo per il primo diodo PD1 e per secondo diodo PD2) , offre il vantaggio di permettere di polarizzare i due fotodiodi PD1 e PD2 in maniera indipendente l'uno dall'altro, consentendo di acquisire due diversi segnali di fotocorrente, per esempio: uno relativo alla banda VIS (PD1) e l'altro relativo alla banda NIR-SWIR (PD2).
In merito ai possibili utilizzi, il sensore 10 pu? essere impiegato per realizzare una fotocamera in grado di acquisire immagini in due bande diverse (per esempio, nel VIS-NIR e nello SWIR). Inoltre, il sensore 10 pu? essere impiegato in un sistema di rivelazione dello spettro ai fini dell?analisi spettrale della radiazione incidente oppure per realizzare un sistema sensore di immagini iperspettrali.
Per esempio, per la realizzazione della fotocamera di acquisizione di immagini in due bande diverse o del sistema sensore di immagini iperspettrali, una pluralit? di sensori 10 con una struttura analoga a quella sopra descritta possono essere integrati in un medesimo substrato 25, risultando affiancati uno all?altro e formando un array bidimensionale.
Con riferimento a queste possibili applicazioni, la figura 9 mostra esemplificativamente un sistema di rivelazione dello spettro 100 comprendente un apparato sensore di radiazione elettromagnetica 20 e un modulo elettronico di controllo e processamento 50. Pi? in dettaglio, il modulo elettronico di controllo e processamento 50 ? configurato per estrapolare e fornire su un?uscita OU informazioni relative allo spettro della radiazione che investe il sensore 10. Il modulo elettronico di controllo e processamento 50 comprende un modulo di lettura 2 (RD), un modulo di condizionamento 3 (CND) ed un dispositivo di analisi e controllo 4 (CNT-AN).
Secondo una prima forma di attuazione, descritta nel seguito, il sistema di rivelazione dello spettro 100 pu? essere configurato per effettuare l?analisi spettrale di una radiazione elettromagnetica fornendo sull?uscita OU delle informazioni SP-ANS relative alla misura dell?intensit? della radiazione incidente in funzione della lunghezza d?onda.
L?apparato sensore di radiazione elettromagnetica 20 comprende il dispositivo sensore 1. Ai fini dell?analisi spettrale della radiazione elettromagnetica l?apparato sensore 20 pu? includere un singolo sensore 10. Con riguardo al modulo di controllo e processamento 50, si noti che il modulo di lettura 2 ? configurato per convertire il segnale in corrente Iph in un segnale in tensione Vph e comprende, per esempio, un amplificatore a transimpedenza (non mostrato).
Il modulo di condizionamento 3 ? configurato per trattare il segnale in tensione Vph in modo da renderlo adatto al successivo processamento. Per esempio, il modulo di condizionamento 3 effettua operazioni quali amplificazione, filtraggio, adattamento di livello, cancellazione della corrente di buio e una conversione analogico-digitale dei segnali in tensione Vph in valori digitali Vphi.
Il dispositivo di analisi e controllo 4 ? configurato per ricevere i valori digitali Vphi rappresentativi dei segnali in tensione Vph, corrispondenti ai segnali di foto-corrente generati dal sensore 10 per diverse tensioni di <polarizzazione V>B<, ed effettuare un?analisi spettrale della radiazione che >investe il sensore 1. Il dispositivo di analisi e controllo 4 pu? includere una logica programmabile (per esempio, ASIC/FPGA) configurata per effettuare tale analisi spettrale.
Inoltre, il dispositivo di analisi e controllo 4 ? configurato per generare valori digitali di tensione Vbi che, mediante un adeguato condizionamento (effettuabile dal modulo di condizionamento 3) vengono trasformati in valori analogici della tensione di polarizzazione VB da applicare al sensore 1 per variare la sua risposta spettrale.
Il modulo di controllo e processamento 50 ?, per esempio, un ROIC (ReadOut Integrated Circuit) che pu? essere integrato direttamente nel substrato 25 utilizzato per realizzare il sensore 10. In alternativa, il sensore 10 ed il ROIC 50 possono essere realizzati su due substrati differenti e poi connessi tramite tecniche di bump-bonding o di wafer-bonding. In alternativa, il sensore 1 ed il ROIC 50 possono essere realizzati su substrati differenti e poi connessi tramite una scheda elettronica PCB.
Come gi? descritto, lo spettro di sensibilit? del sensore 10 pu? essere modificato con continuit?; in particolare ? possibile ottenere numerose risposte spettrali intermedie rispetto a quelle estreme (ottenibili con l?applicazione della tensione di polarizzazione massima o minima) mostrate in figura 2.
Questa propriet? offre la possibilit? di ottenere un elevato numero di spettri, accordabili dinamicamente, tramite l?applicazione della tensione di polarizzazione VB ed estesi nel range del visibile e del vicino infrarosso, permettendo la realizzazione di un sistema di analisi spettrale compatto.
Si noti che l?analisi spettrale si basa sulla conoscenza della responsivit? spettrale del sensore 10, tale responsivit? spettrale viene determinata in una fase di caratterizzazione.
In accordo con un?altra forma di attuazione del sistema 100, questo pu? essere configurato in modo da operare come sistema di imaging iperspettrale, cio? come un sistema di acquisizione di immagini iperspettrali IPST-IM. In questo caso, l?apparato sensore 20 comprende una pluralit? di dispositivi sensori 10, analoghi al sensore sopra descritto, organizzati secondo una matrice. Per esempio, l?apparato sensore 20 pu? comprendere milioni di sensori 10 ciascuno corrispondente ad un pixel dell?immagine iperspettrale che si vuole acquisire.
Il modulo elettronico di controllo e processamento 50 ?, in questo caso, configurato per ricevere le fotocorrenti Iph fornite da ciascun sensore 1 (corrispondente ad un pixel) e processarle per ottenere l?immagine iperspettrale, in cui per ogni pixel ? fornito lo spettro dell?immagine di una scena.
Il sistema di rivelazione dello spettro 100 trova applicazione, per esempio, nel settore dell?automotive (Fog, Night Vision, augmented vision), nel settore del Machine Vision (Industria 4.0, aumento capacit? visiva macchinari) o in quello del riciclo materie plastiche.
LEGENDA DEI NUMERI DELLE FIGURE
- dispositivo sensore 10
- sistema di rivelazione dello spettro 100
- sensore di radiazione elettromagnetica 20
- modulo elettronico di controllo e processamento 50 - uscita OU
- modulo di lettura 2
- modulo di condizionamento 3
- dispositivo di analisi e controllo 4
- primo fotodiodo PD1
- secondo fotodiodo PD2
<- >tensione di polarizzazione VB
- fotocorrente Iph
- segnale in tensione Vph
- valori digitali di tensione Vbi
- substrato 25
- primo contatto ohmico BC
- secondo contatto ohmico TC
- prima faccia 30
- prima regione drogata 31
- seconda faccia 32
- seconda regione drogata 33
- strato in un secondo materiale semiconduttore 34 - terza faccia 35
- strato drogato 36
- primo strato metallico 37
- secondo strato metallico 38
- prima sacca ad elevato drogaggio 39 - seconda sacca ad elevato drogaggio 40 - terzo strato metallico 41
- quarto strato metallico 42
- quinto strato metallico 43
- strato isolante 44
- faccia libera 45
- prima piazzola di contatto 46
- seconda piazzola di contatto 47
- terzo contatto ohmico FC
- terza sacca ad elevato drogaggio 48

Claims (15)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo sensore (10) di radiazione elettromagnetica a doppio fotodiodo comprendente:
- un substrato (25) in un primo materiale semiconduttore tale da definire una prima faccia (12, 30) esposta alla radiazione elettromagnetica (EMR) ed una seconda faccia (32) contrapposta alla prima faccia;
- un primo fotodiodo integrato (PD1) comprendente:
una prima regione drogata (31) inclusa nel substrato (25) in modo da estendersi fino alla prima faccia (32) ed avente un drogaggio di un primo tipo;
una seconda regione drogata (33) inclusa nel substrato (25) in modo da estendersi fino alla seconda faccia (32), separata dalla prima regione (31) mediante una porzione del substrato (25), ed avente un drogaggio di un secondo tipo (p+);
- un secondo fotodiodo integrato (PD2) comprendente detta prima regione drogata (31) e:
uno strato in un secondo materiale semiconduttore (34) disposto sulla seconda faccia (32) a contatto con la prima regione drogata (31) e tale da definire una terza faccia (35) contrapposta alla seconda faccia (32);
uno strato drogato nel secondo materiale semiconduttore (36) avente un drogaggio del secondo tipo (p+) e sovrapposto alla terza faccia (35);
- contatti metallici (BC, TC) disposti in modo da contattare la seconda regione drogata (33), in corrispondenza della seconda faccia (32), e lo strato drogato (36).
2. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui detti contatti metallici (BC, TC) comprendono:
un primo strato metallico (37, BC) disposto sulla seconda faccia (32) in corrispondenza della seconda regione drogata (33).
3. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 2, inoltre comprendente:
una prima sacca ad elevato drogaggio (39) del secondo tipo (p+) inclusa nella prima regione drogata (31) e tale da estendersi fino alla seconda faccia (32);
una seconda sacca ad elevato drogaggio (40) del secondo tipo (p+) inclusa nello strato nel secondo materiale semiconduttore (34) e tale da contattare lo strato drogato nel secondo materiale semiconduttore (36) e una prima porzione della prima sacca ad elevato drogaggio (39) in corrispondenza della seconda faccia (32).
4. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 3, in cui:
detti contatti metallici (BC, TC) comprendono un secondo strato metallico (38, TC) disposto sopra una seconda porzione della prima sacca ad elevato drogaggio (39) in corrispondenza della seconda faccia (32).
5. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 3, in cui:
detti contatti metallici (BC, TC) comprendono un terzo strato metallico (41) che ricopre lo strato drogato nel secondo materiale semiconduttore (36) e la seconda sacca ad elevato drogaggio (40), contattando la prima sacca ad elevato drogaggio (39) in corrispondenza della seconda faccia (32).
6. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 2, in cui:
detti contatti metallici (BC, TC) comprendono un quarto strato metallico (42) che ricopre lo strato drogato nel secondo materiale semiconduttore (36), risultando distanziato dalla seconda faccia (32).
7. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 2, inoltre comprendente:
uno strato di materiale elettricamente isolante (44) sovrapposto alla seconda faccia (32) e allo strato drogato nel secondo materiale semiconduttore (36);
e in cui:
detto primo strato metallico (37) si estende internamente allo strato di materiale isolante dalla seconda faccia (32) fino ad una faccia libera (45) dello strato di materiale isolante (44) formando una prima piazzola di contatto (46);
detti contatti metallici (BC, TC) comprendono un quinto strato metallico (43) che si estende internamente allo strato di materiale isolante dalla seconda faccia (32) fino ad una faccia libera (45) dello strato di materiale isolante formando una seconda piazzola di contatto (47).
8. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui il primo e/o il secondo materiale semiconduttore ? scelto fra una delle seguenti tipologie:
a) semiconduttori III-V e loro leghe;
b) semiconduttori II-VI e loro leghe;
c) semiconduttori del gruppo IV e loro leghe.
9. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo materiale semiconduttore ha associata una prima banda proibita Eg1 e il secondo materiale semiconduttore ha associata una seconda banda proibita <E>g2 <minore di detta prima banda proibita.>
10. Dispositivo sensore secondo la rivendicazione 1, configurato in modo da convertire in corrente elettrica di foto-rivelazione (Iph) la radiazione elettromagnetica incidente (EMR) in funzione di una relativa responsivit? spettrale dipendente da una tensione elettrica di controllo (VB).
11. Dispositivo sensore (10) secondo le rivendicazioni 2 e 10, in cui detti contatti metallici (BC, TC) definiscono un primo (BC) ed un secondo (TC) terminale elettrico ai quali ? applicabile la tensione elettrica di controllo (VB) e dai quali ? prelevabile la corrente elettrica di foto-rivelazione (Iph).
12. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 1, in cui il primo ed il secondo materiale semiconduttore sono scelti in modo che il dispositivo sensore (10) sia tale da operare nel visibile, nel vicino infrarosso fino a parte dell?infrarosso ad onde corte.
13. Dispositivo sensore (10) secondo la rivendicazione 4, inoltre comprendente:
una terza sacca ad elevato drogaggio (48) del primo tipo (p+) inclusa nella prima regione drogata (31) e tale da estendersi fino alla seconda faccia (32);
un ulteriore strato metallico (FC) disposto sopra detta terza sacca ad elevato drogaggio (48) in corrispondenza della seconda faccia (32) e tale da definire un terzo terminale elettrico di controllo di detto dispositivo.
14. Sistema (100) di rivelazione di una radiazione elettromagnetica, comprendente:
un dispositivo sensore (20, 10) realizzato secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti e configurato per convertire in corrente elettrica una radiazione elettromagnetica incidente (EMR) in funzione di una relativa responsivit? spettrale dipendente da una tensione elettrica di regolazione (VB);
un modulo elettronico di controllo e processamento (50) configurato per:
- fornire selettivamente al dispositivo sensore (10) una pluralit? di valori di tensione elettrica di regolazione (VB) variando detta responsivit? spettrale in modo da ottenere una corrispondente pluralit? di correnti elettriche rilevate (Iph) associate alla radiazione elettromagnetica incidente;
- elaborare valori di dette correnti elettriche rilevate (Iph) in base ai valori di tensione elettrica di regolazione (VB) e a detta responsivit? spettrale, ottenendo informazioni (SP-ANS; IPST-IM) relative alla radiazione elettromagnetica incidente.
15. Sistema (100) secondo la rivendicazione 14, in cui il modulo di controllo e processamento (50) comprende:
un modulo di lettura (2) configurato per ricevere la pluralit? di correnti elettriche rilevate (Iph) e convertirla in una pluralit? di tensioni elettriche rilevate (Vph);
un modulo di condizionamento (3) configurato per ricevere la pluralit? di tensioni elettriche rilevate (Vph) e convertirla in corrispondenti valori digitali rilevati (Vphi);
un dispositivo di analisi (4) configurato per ricevere i valori digitali rilevati (Vphi) ed estrapolare le informazioni relative allo spettro (SP-ANS; IPST-IM) della radiazione elettromagnetica incidente.
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