IT202100009434A1 - Un sensore di radiazioni - Google Patents

Description

Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale a titolo:

?UN SENSORE DI RADIAZIONI?

DESCRIZIONE

Definizioni

Nel presente brevetto, per strato di passivazione in un dispositivo si intende uno strato di materiale semiconduttore, comunque esso sia ottenuto, che non viene svuotato perch? contiene una concentrazione sufficientemente elevata di portatori maggioritari, durante la normale operativit? del dispositivo, dello stesso tipo di quelli presenti nel substrato su cui lo strato di passivazione ? realizzato.

Campo di applicazione

La presente invenzione ? applicabile al settore dei sensori di radiazioni e, in particolare, al settore dei sensori di radiazioni a diodi.

Pi? in dettaglio, la presente invenzione si riferisce ad un sensore avente uno o pi? diodi a moltiplicazione di carica.

Stato della tecnica

Tra i sensori di radiazioni sono noti i single photon avalanche diode (SPAD), ovvero i fotodiodi a valanga sensibili al singolo fotone. Un singolo SPAD ? costituito da un diodo a moltiplicazione di carica che viene polarizzato per lavorare in regime geiger. Un sensore pu? essere composto da un singolo SPAD oppure da un insieme di SPAD, chiamati anche microcelle o pixel. Tra i sensori composti da pi? SPAD sono noti i sensori fotomoltiplicatori al silicio, detti anche SiPM, che sono tipicamente composti da SPAD collegati in parallelo.

Tipicamente, come si osserva in fig. 1, una microcella M ? realizzata in un substrato S di materiale semiconduttore, tipicamente epitassiale. In tale substrato S si identifica un primo strato P1 di materiale semiconduttore drogato per essere un conduttore di un primo tipo (che pu? essere di tipo n o di tipo p indifferentemente, comunque di segno opposto al drogaggio del substrato S). Tale primo strato P1 ? realizzato sulla superficie frontale del substrato S.

Vi ? poi un secondo strato P2 di materiale semiconduttore drogato di segno opposto al primo strato P1 e realizzato in profondit? nel substrato S. Quest?ultimo ? generalmente drogato dello stesso segno di P2, ma in quantit? inferiore. Vi ? poi tipicamente uno strato di fondo PF drogato dello stesso segno di P2. L?alimentazione del diodo tipicamente, ma non necessariamente, ? tra il primo strato P1 e lo strato di fondo PF e, in accordo con l?alimentazione, tra il primo P1 e il secondo strato P2 o tra il primo P1 e lo strato di fondo PF si crea una regione di svuotamento. In ogni caso, tra il primo strato P1 ed il secondo strato P2 si crea, in presenza di una polarizzazione opportuna, una regione a campo elettrico elevato E per la generazione dell?effetto moltiplicatore di carica del diodo.

Per ogni SPAD almeno uno dei due poli o dei due contatti elettrici deve essere isolato funzionalmente dai suoi vicini per funzionare correttamente come previsto. Per tale motivo tra essi viene solitamente realizzata una regione di isolamento R tipicamente elettrico e possibilmente anche ottico. Infatti, l'isolamento ottico tra celle adiacenti ? auspicabile, anche se non obbligatorio, per ridurre il rumore correlato in termini di crosstalk ottico.

Tuttavia, ci? significa che parte del volume del dispositivo ? dedicata alla regione di isolamento R.

Inoltre, il secondo strato P2 deve essere distanziato da tale regione R in modo da realizzare sostanzialmente un anello di guardia che pu? essere di tipo virtuale (virtual guard ring - VGR), ossia in modo da prevenire campi elettrici troppo elevati ai bordi dell'area attiva.

Di conseguenza, in un SiPM, l'area sensibile di ogni SPAD ? significativamente pi? piccola della sua area totale a causa della regione di isolamento R e dell?anello di guardia VGR, che costituiscono il cosiddetto bordo morto della cella. Definendo il fattore di riempimento della cella (anche detto fill factor) come rapporto tra l'area sensibile e l'area totale di una microcella, ? evidente che tanto pi? alto sar? tale numero tanto pi? prestazionale sar? la singola cella. Peraltro, ? evidente che tanto pi? piccola sar? la microcella, tanto pi? dannoso ? un bordo morto elevato.

Per quanto fin qui detto, quindi, il fattore di riempimento di una microcella risente innanzitutto dello spazio perso per la realizzazione della regione di isolamento ed in seconda battuta della necessaria spaziatura che costituisce l?anello di guardia virtuale.

Tuttavia, la regione di isolamento ha anche ulteriori aspetti negativi per i sensori ottici del tipo SiPM o analogo.

Innanzitutto, esso incide sulla continuit? di entrambe le superfici del substrato, sia quella frontale che quella posteriore. Poich? una di tali due superfici viene utilizzata come superficie di ingresso dei fotoni, ? evidente che la presenza di tale regione crea una discontinuit? fisica su tale superficie.

Peraltro, una discontinuit? sulle superfici del substrato crea un?alterazione della topografia della superficie con conseguenti problematiche nella disposizione in appoggio di ulteriori elementi o nel trattamento superficiale del substrato.

Presentazione dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? superare almeno parzialmente gli inconvenienti sopra riscontrati, mettendo a disposizione un sensore di radiazioni avente prestazioni migliorate rispetto ai sensori equivalenti per quanto concerne la capacit? dei fotoni incidenti di innescare con la maggiore probabilit? possibile l?effetto di moltiplicazione di carica dei diodi che compongono il sensore stesso.

In particolare, uno scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un sensore di radiazioni a diodi in cui il fattore di riempimento delle microcelle sia migliorato rispetto ai sensori equivalenti della tecnica nota senza incrementare significativamente (o in maniera eccessiva) il rate di conteggi di buio.

Pi? in dettaglio, uno scopo della presente invenzione ? mettere a disposizione un sensore di radiazioni a diodi con moltiplicazione di carica (tipicamente diodi a valanga) in cui le regioni di isolamento abbiano una incidenza inferiore sul substrato diminuendo, se non sostanzialmente annullando, il loro contributo alla generazione del cosiddetto bordo morto.

Un altro scopo ? mettere a disposizione un sensore di radiazioni a diodi in cui le cariche elettriche generate nel substrato vengano convogliate verso la regione a campo elettrico elevato e inneschino efficacemente l?effetto di moltiplicazione di carica.

Non ultimo scopo ? mettere a disposizione un sensore di radiazioni a diodi in cui le regioni di isolamento abbiano un effetto limitato, se non nullo, sulla superficie di incidenza dei fotoni rispetto a quanto accade nei sensori ottici noti.

Tali scopi, nonch? altri che appariranno pi? chiaramente nel seguito, sono raggiunti da un sensore di radiazioni a diodi in accordo con le rivendicazioni che seguono le quali sono da considerarsi parte integrante della presente descrizione.

In particolare, esso ? composto da uno o pi? diodi a moltiplicazione di carica che tipicamente, ma non necessariamente, verranno polarizzati per lavorare in geiger mode. In tal senso, il sensore comprende un substrato realizzato in materiale semiconduttore ed avente due superfici, una superficie frontale ed una superficie posteriore opposta alla superficie frontale.

Almeno in prossimit? della superficie frontale trova posto almeno un primo strato di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio di un primo tipo, sia esso di tipo n o di tipo p. Tale primo strato ? realizzato in modo da ricoprire almeno una prima area centrale della superficie frontale del substrato.

Vi ? poi almeno un secondo strato di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio di un secondo tipo elettricamente di segno opposto al primo tipo. Tale secondo strato ? realizzato ad una prima profondit? nel substrato ed ? a sviluppo sostanzialmente parallelo al primo strato in modo da interessare una seconda area che individua tra i due strati, in presenza di un?opportuna polarizzazione del sensore, una regione a campo elettrico elevato. In altri termini, i due strati realizzano la regione di moltiplicazione di carica di un diodo di tale tipologia la cui zona di lavoro, e quindi il cui livello di moltiplicazione di cariche, sar? determinata dall?alimentazione dello stesso diodo.

Secondo un aspetto dell?invenzione, il sensore di radiazioni comprende anche almeno un terzo strato di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio del secondo tipo e realizzato ad una seconda profondit? nel substrato maggiore della prima profondit?. In particolare, il terzo strato interessa una terza area che, in proiezione in pianta, ? almeno parzialmente laterale alla seconda area.

Da quando detto si pu? semplificare sostenendo che il terzo strato costituisce sostanzialmente una cornice, per quanto parzialmente sovrapponibile al secondo strato, per la regione a campo elettrico elevato e si posiziona tra essa e l?area del substrato dove avviene la raccolta di cariche a causa dell?incidenza delle radiazioni. In questo senso, vantaggiosamente, esso impedisce alle cariche generate nel substrato di dirigersi verso l?anello di guardia virtuale focalizzandole verso la regione a campo elettrico elevato. In altri termini, esso svolge una funzione sostanzialmente ad imbuto per le cariche generate nel substrato che vengono cos? dirette verso la regione a campo elettrico elevato. Si osserva, vantaggiosamente, che ci? avviene qualsiasi sia l?estensione di tale regione.

Con l?esecuzione appena descritta, una parte rilevante della caduta di tensione del sensore tipicamente si individua tra primo e secondo strato perch? ? la regione con il campo elettrico pi? alto. Approssimativamente, la stessa caduta di tensione si individua anche tra primo e terzo strato poich? quest?ultimo ? tipicamente allo stesso potenziale del secondo strato. Per evitare la moltiplicazione delle valanghe al di sopra del terzo strato, ? importante che il calo di tensione tra quest?ultimo ed il primo strato sia generato su un percorso significativamente pi? lungo di quello tra primo e secondo strato. L?esecuzione del terzo strato pi? in profondit? rispetto al secondo strato consente, vantaggiosamente, di aumentare il suddetto percorso limitando, se non annullando moltiplicazioni aggiuntive di cariche.

Secondo un altro aspetto dell?invenzione, il sensore di radiazioni comprende almeno una prima regione di isolamento realizzata perimetralmente al substrato e che si sviluppa in profondit? nello stesso substrato a partire dalla superficie frontale fino ad una zona intermedia tra questa e la superficie posteriore. In particolare, tale prima regione di isolamento risulta essere disposta lateralmente almeno al primo e al secondo strato. Nelle figure si osserva che la prima regione di isolamento va ben oltre, ma ci? non deve essere considerato limitativo per l?invenzione.

Ne consegue che vi ? un isolamento elettrico, e tipicamente anche ottico, tra gli strati superficiali dei diodi a moltiplicazione di carica che compongono il sensore. Tuttavia, vantaggiosamente, la porzione di substrato non interessata lateralmente dalla regione di isolamento non subisce gli effetti negativi di quest?ultima aumentando nel sensore di radiazioni dell?invenzione il valore del fill factor. In altri termini, si osserva che la regione di isolamento potrebbe limitarsi ad isolare tra loro la sola regione del diodo dove avviene la moltiplicazione di carica e non il substrato sottostante evitando i suoi influssi su di esso.

Peraltro, ancora vantaggiosamente, tale regione di isolamento, che costituisce nei fatti una trincea, non incide su entrambe le superfici, ma solo sulla superficie frontale. Ci? risulta particolarmente vantaggioso nel caso di sensori che sono destinati ad essere illuminati sulla superficie posteriore poich? quest?ultima risulta continua e non intaccata e quindi non vi sono elementi che possano influenzare la corretta incidenza delle radiazioni, o comunque diminuirne la superficie sensibile.

Ancora, sulla superficie posteriore non sono presenti discontinuit? che potrebbero influenzare negativamente la generazione di strati aggiuntivi superficiali o il posizionamento di elementi aggiuntivi quali, ad esempio, microlenti o altro.

Ancora vantaggiosamente, a pari volume dell?area di raccolta dei fotoni, il sensore dell?invenzione ha una regione a campo elettrico elevato molto pi? piccola e quindi il rumore generato in questa regione, che tipicamente costituisce una parte significativa del rumore di buio del sensore, ? ridotto.

Secondo un altro aspetto dell?invenzione, almeno tra una porzione di parete laterale della prima regione di isolamento e il substrato almeno a partire dalla seconda profondit? del terzo strato ? interposto uno strato di passivazione. In particolare, si tratta di uno strato che non viene svuotato perch? contiene una concentrazione sufficientemente elevata di portatori maggioritari dello stesso tipo di quelli del substrato durante la normale operativit? del dispositivo.

Vantaggiosamente, quindi, vi ? la passivazione di almeno una porzione laterale della regione di isolamento a partire dal terzo strato verso il fondo del substrato evitando l?ingenerarsi di campi elettromagnetici che potrebbero ostacolare o comunque influire negativamente sulla raccolta di cariche deviandole dal percorso ottimale che attraversa la regione ad alto campo elettrico. Ci? ? particolarmente vantaggioso qualora la regione di isolamento sia pi? profonda del diodo a moltiplicazione di carica.

Ancora vantaggiosamente, lo strato di passivazione evita che si inietti nella zona di raccolta del dispositivo carica generata all?interfaccia tra la prima regione di isolamento e il substrato.

Ancora vantaggiosamente, qualora lo strato di passivazione venga polarizzato mediante un contatto elettrico, esso potr? contribuire alla capacit? di focalizzare le cariche generate dalle radiazioni incidenti il substrato verso la regione a campo elettrico elevato. Si osserva inoltre, ancora vantaggiosamente, che se la regione di isolamento ? particolarmente profonda nel substrato rispetto al terzo strato, il contributo della sua passivazione laterale all?azione di convogliamento delle suddette cariche ? senz?altro rilevante.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, di un sensore ottico secondo l?invenzione, illustrate a titolo di esempio non limitativo con l'ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

- la FIG. 1 rappresenta un sensore di radiazioni secondo lo stato della tecnica in vista schematizzata;

- la FIG. 2 rappresenta un sensore di radiazioni secondo l?invenzione in vista schematizzata;

- le FIGG. Da 3 a 5 rappresentano alcune varianti esecutive del sensore di radiazioni di FIG. 2.

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferita Con riferimento alle figure citate, ed in particolare alla fig. 2, si descrive un sensore di radiazioni 1 avente uno o pi? diodi a moltiplicazione di carica 2 che tipicamente, ma non necessariamente, verranno polarizzati in modo da lavorare in geiger mode. Per semplicit? descrittiva, il sensore 1 rappresentato nelle figure comprende un solo diodo 2, ma ? evidente che tale aspetto non deve essere considerato limitativo per la presente invenzione.

Pi? in dettaglio, i diodi a moltiplicazione di carica 2 sono tipicamente del tipo a valanga per effetto del meccanismo della ionizzazione da impatto.

Il sensore 1 comprende quindi un substrato 3 realizzato in materiale semiconduttore ed avente due superfici, una superficie frontale 4 ed una superficie posteriore 5 opposta alla superficie frontale 4.

Sulla superficie frontale 4 trova posto un primo strato 8 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio di un primo tipo. Nelle figure tale drogaggio figura essere di tipo n, ma anche questo aspetto non deve essere considerato limitativo per la presente invenzione. Infatti, l?inversione dei tipi di drogaggio citati nella presente descrizione non comportando alcuna differenza ai fini del presente brevetto.

Anche lo spessore del primo strato 8 pu? essere qualsivoglia in accordo con i parametri di progettazione del sensore 1. In generale si specifica che, indipendentemente da quanto di possa dedurre dalle figure, gli spessori di tutti gli strati indicati nel presente brevetto saranno in accordo con i parametri di progettazione del sensore di radiazioni senza alcun limite per l?invenzione.

Anche la posizione del primo strato 8 sulla superficie frontale del substrato 3 ? una caratteristica da considerarsi non limitativa per l?invenzione, essendovi varianti esecutive non rappresentate in questa sede dove lo stesso primo strato ? realizzato in profondit? nel substrato (per quanto in prossimit? della superficie frontale) e collegato con la superficie frontale mediante un contatto elettrico.

Il primo strato 8 ? realizzato in modo da ricoprire una prima area centrale della superficie frontale 4 del substrato 3.

Vi ? poi un secondo strato 9 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio di un secondo tipo elettricamente di segno opposto al primo tipo. Tipicamente anche il substrato 3 ? drogato con un drogaggio del secondo tipo, ma con un livello di drogaggio inferiore rispetto a quello del secondo strato. Altrettanto tipicamente, sulla superficie posteriore 5 del substrato vi ? un ulteriore strato drogato 40 con drogaggio del secondo tipo, generalmente a drogaggio pi? alto rispetto a quello del substrato. Per quanto in figura si osserva che tale ulteriore strato drogato 40 copre tutta la superficie posteriore 5, tale aspetto non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell?invenzione dove l?ulteriore strato drogato copre solo una porzione della superficie posteriore del substrato.

Il secondo strato 9 ? realizzato ad una prima profondit? nel substrato 3 ed ? a sviluppo sostanzialmente parallelo al primo strato 8 in modo da interessare una seconda area. Inoltre, tra il secondo strato 9 e il primo strato 8 ? individuabile, in presenza di una opportuna polarizzazione del sensore 1, una regione a campo elettrico elevato 10 per la generazione della moltiplicazione di carica.

Perimetralmente al primo 8 e al secondo strato 9 vi ? uno spazio di separazione dal bordo della cella che svolge una funzione analoga, sostanzialmente, un anello di guardia virtuale 11 ossia ha la funzione di prevenire campi elettrici elevati ai bordi dell'area attiva.

Secondo un aspetto dell?invenzione, il sensore ottico 1 comprende anche un terzo strato 12 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio del secondo tipo (quindi coincidente al drogaggio del secondo strato 9) e realizzato ad una seconda profondit? nel substrato 3 maggiore della prima profondit?, ossia ? ad una profondit? superiore nel substrato 3 rispetto alla profondit? del secondo strato 9. In particolare, il terzo strato 12 interessa una terza area che, in proiezione in pianta, ? almeno parzialmente laterale alla seconda area.

In altri termini, come detto anche in precedenza, il terzo strato 12 costituisce sostanzialmente una cornice per il diodo a moltiplicazione di carica 2. In questo senso, vantaggiosamente, esso impedisce alle cariche generate nel substrato 3 di dirigersi verso l?anello di guardia virtuale 11 focalizzandole verso la regione a campo elettrico elevato 10 dove avviene la moltiplicazione per ionizzazione da impatto.

In precedenza si ? citato un sostanziale effetto imbuto poich? esemplifica in modo grossolano, ma efficace, la funzione di convogliamento delle cariche generate nel substrato 3 dall?incidenza delle radiazioni verso la regione a campo elettrico elevato 10 dove si realizza l?effetto di moltiplicazione di carica.

Vantaggiosamente, a causa di tale convogliamento, che ? simile ad un meccanismo di messa a fuoco efficiente delle cariche, la dimensione almeno del secondo strato 9 e dello strato a campo elettrico elevato 10, se non anche del primo strato 8, pu? essere ridotta, ottenendo i seguenti vantaggi:

- vi ? potenzialmente un maggiore spazio per l?anello di guardia virtuale 11. Questo ? importante in generale, ma ? fondamentale per le piccole dimensioni delle celle, in cui la dimensione minima necessaria per l?anello di guardia virtuale 11 per essere efficace altrimenti userebbe tutta la larghezza della cella, senza lasciare spazio per il primo strato 8 ed il secondo strato 9;

- ridotta capacit? del diodo 2, che consente di costruire microcelle con tempi di ricarica pi? veloci, in particolare nel caso del meccanismo di spegnimento della moltiplicazione di carica passivo, ottenuto attraverso la cosiddetta ?resistenza di quanching?, che viene normalmente utilizzato nei SiPM analogici;

- ad una capacit? inferiore del catodo corrisponde anche un guadagno inferiore derivante dall?effetto di moltiplicazione di carica, definito come il numero medio di cariche che passano attraverso lo strato a campo elettrico elevato 10 per ogni fotone rilevato. Un guadagno in generale inferiore consente un minore rumore correlato.

Tuttavia, l?effetto di focalizzazione svolto dal terzo strato di materiale semiconduttore 12 consente anche l?utilizzo di ulteriori accorgimenti costruttivi.

Secondo un altro aspetto dell?invenzione, il sensore di radiazioni 1 comprende una prima regione di isolamento 15 realizzata perimetralmente al substrato 3 e che si sviluppa in profondit? nello stesso substrato 3 a partire dalla superficie frontale 4 fino ad una zona intermedia tra questa e la superficie posteriore 5. In particolare, in figura si osserva tale prima regione di isolamento 15 risulta essere disposta lateralmente almeno al primo 8, al secondo 9 e al terzo strato 12. Tuttavia, tale aspetto non deve essere considerato limitativo per differenti forme di esecuzione dell?invenzione dove, ad esempio, la regione di isolamento affianca esclusivamente solo i primi due strati, o sia pi? profonda del terzo strato. Ulteriori varianti esecutive, peraltro, verranno discusse in seguito.

Tipicamente la regione di isolamento 15 ? realizzata incidendo il substrato 3 e inserendo nel solco cos? ottenuto uno o pi? materiali di cui tipicamente, ma non necessariamente, uno isolante (tipicamente ossido del materiale semiconduttore di cui lo stesso substrato 3 ? composto), ma anche tale aspetto non deve essere considerato limitativo per la presente invenzione, il materiale potendo essere qualsivoglia e la regione di isolamento potendo essere ottenuta con modalit? differenti rispetto a quella descritta. Rimanendo al caso appena descritto, tipicamente, ma non necessariamente, il materiale semiconduttore ? silicio e l?ossido ? quindi di silicio.

In ogni caso, la funzione della regione di isolamento 15 ? di isolamento funzionale almeno tra le porzioni superficiali di celle limitrofe che compongono il sensore 1. Poich?, come detto, la regione di isolamento 15 potrebbe ingenerare campi elettrici o elettromagnetici che potrebbero ostacolare o comunque influire negativamente sulla raccolta di cariche che poi vengono direzionate verso la regione a campo elettrico elevato 10, la porzione di substrato 3 non interessata lateralmente dalla regione di isolamento 15 non subisce tali possibili effetti negativi aumentando nel sensore di radiazioni 1 dell?invenzione il valore del fill factor.

Peraltro, ancora vantaggiosamente, tale regione di isolamento 15, che costituisce nei fatti una trincea, non incide su entrambe le superfici, ma solo sulla superficie frontale 4. Ci? risulta particolarmente vantaggioso nel caso di sensori di radiazioni 1 che sono destinati ad essere illuminati sulla superficie posteriore 5 poich? quest?ultima risulta continua e non intaccata e quindi non vi sono elementi che possano influenzare l?incidenza dei fotoni.

Ancora, come detto, sulla superficie posteriore non sono presenti discontinuit? che potrebbero influenzare negativamente la generazione di strati aggiuntivi superficiali o il posizionamento di elementi aggiuntivi quali, ad esempio, lenti o altro.

Secondo un altro aspetto dell?invenzione, tra una porzione di parete laterale della prima regione di isolamento 15 e il substrato 3, a partire dalla seconda profondit? relativa al terzo strato 12, ? interposto uno strato di passivazione 18.

Secondo alcune forme di esecuzione dell?invenzione lo strato di passivazione ? costituito da uno strato di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio del secondo tipo. Secondo altre forme di esecuzione dell?invenzione, lo strato di passivazione ? costituito inducendo una carica opportuna nella porzione di substrato confinante con la prima regione di isolamento polarizzando opportunamente la porzione di interesse di quest?ultima. Se ne deduce che la modalit? con la quale si realizza il suddetto strato di passivazione non ? una caratteristica limitativa per la presente invenzione.

In ogni caso, nelle figure si osserva che lo strato di passivazione 18 si interpone tra l?intera prima regione di isolamento 15 e il substrato 3, ma tale aspetto non deve essere considerato limitativo per l?invenzione.

Vantaggiosamente, quindi, la suddetta porzione di parete laterale della regione di isolamento 15 ? passivata ai bordi riducendo l'iniezione di portatori generati termicamente all'interfaccia tra il substrato 3 e la prima regione di isolamento 15. In altri termini, ? ridotta la corrente di buio del sensore 1. Inoltre, con la stessa passivazione si evita l?ingenerarsi di campi elettromagnetici che disturbino la raccolta di cariche dal substrato 3.

In figura si osserva, inoltre, che la terza area interessata dal terzo strato 12 da un primo lato ? a contatto con lo strato di passivazione 18, mentre dal lato opposto si sviluppa per una lunghezza sostanzialmente coincidente con la distanza tra secondo strato 9 e lo strato di passivazione 18.

Vantaggiosamente, poich? terzo strato 12 e strato di passivazione 18 presentano polarit? dello stesso tipo, il loro contatto elettrico consente, qualora lo si ritenga necessario, di alimentarli congiuntamente ad esempio mediante un contatto elettrico collegato allo strato di passivazione 18. Tale singola alimentazione, quindi, consentir? di accrescere la capacit? di focalizzare le cariche generate dai fotoni incidenti il substrato 3 verso la regione a campo elettrico elevato 10.

Tuttavia, tali caratteristiche non devono essere considerate limitative per l?invenzione. Infatti, non ? necessario che il terzo strato e lo strato di passivazione siano entrambi alimentati o siano alimentati congiuntamente, cos? come non ? necessario che siano tra loro a contatto. Anche il fatto che il terzo strato dal lato opposto si sviluppi per una lunghezza sostanzialmente coincidente con la distanza tra secondo strato e strato di passivazione non ? una caratteristica da giudicarsi limitativa per l?invenzione, l?estensione del terzo strato potendo essere superiore in modo che, in proiezione in pianta, terzo strato e secondo strato si sovrappongano parzialmente.

Peraltro, nelle figure si osserva che il terzo strato 12 si sviluppa parallelamente alla superficie del sensore 1, ma anche tale aspetto non deve essere considerato limitativo per la presente invenzione, il terzo strato potendo avere uno sviluppo sostanzialmente obliquo o comunque qualsivoglia.

Si osserva comunque, ancora vantaggiosamente, che se la regione di isolamento 15 ? pi? profonda nel substrato 3 del terzo strato 12, lo strato di passivazione 18 collabora attivamente all?azione di convogliamento delle suddette cariche svolta dal terzo strato 12.

Qualora lo strato di passivazione 18 venga opportunamente polarizzato in accordo con il terzo strato 12, tale contributo sar? anche vantaggiosamente accresciuto.

Si osserva inoltre, ancora vantaggiosamente, che se la regione di isolamento 15 ? particolarmente profonda nel substrato 3 rispetto al terzo strato 12, il contributo dello strato di passivazione 18 all?azione di convogliamento delle suddette cariche ? senz?altro rilevante.

Tale collaborazione con il terzo strato 12 non si limita a quanto appena detto. Infatti, in assenza dello strato di passivazione 18, la regione di isolamento 15 potrebbe disturbare con campi elettrici indesiderati la raccolta di cariche nel substrato 3.

In figura si osserva che il primo strato 8 di materiale semiconduttore non ? unico. Infatti, ? presente un quarto strato 20 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio sempre del primo tipo e realizzato sulla superficie frontale 4 del substrato 3 superiormente al primo strato 8. In particolare, il drogaggio del quarto strato 20 ? superiore al drogaggio del primo strato 8. In questo modo, sostanzialmente, il primo strato 8 risulta patternizzato, ossia ha una gradualit? di drogaggio che consente, vantaggiosamente, di modellare i campi elettrici che lo coinvolgono soprattutto ai bordi. Peraltro, possono essere utilizzate specie droganti diverse nel quarto strato 20 e nel primo strato 8 allo scopo di modellare ancora meglio il gradiente del drogaggio. In ogni caso, ci? incrementa l?effetto dell?anello di guardia virtuale 11. Potenzialmente, quindi, tale anello di guardia virtuale 11 potrebbe essere ridotto in estensione.

Quest?ultimo aspetto ? in effetti rilevante per l?efficienza dei sensori di radiazioni 1. Nel caso fin qui descritto, infatti, la distanza tra il perimetro della prima area e lo strato di passivazione 18 (ossia tra primo strato 8 e strato di passivazione 18) ? predefinita cos? come quella tra la seconda area (e quindi il secondo strato 9) e lo stesso strato di passivazione 18. Tuttavia, secondo una variante esecutiva non rappresentata in questa sede, la prima area ? a contatto con la regione di isolamento ricoprendo sostanzialmente tutta la superficie frontale del substrato. In tal caso ? evidente che lo strato di passivazione ricopre la regione di isolamento solo a partire da una profondit? predeterminata.

Anche la posizione del quarto strato 20 sulla superficie frontale del substrato 3 ? una caratteristica da considerarsi non limitativa per l?invenzione, essendovi varianti esecutive non rappresentate in questa sede dove lo stesso quarto strato ? realizzato in profondit? nel substrato (per quanto in prossimit? della superficie frontale e comunque almeno parzialmente interposto tra la superficie frontale ed il primo strato) e collegato con la superficie frontale mediante un contatto elettrico. In altre varianti esecutive, peraltro, lo stesso quarto strato ? sagomato e comprende il suddetto contatto elettrico.

In precedenza si ? detto che uno dei vantaggi della presente invenzione ? che la regione di isolamento 15 non interessa la superficie posteriore 5 del substrato 3. Tuttavia, in talune situazioni pu? essere necessario che vi sia un isolamento che interessa totalmente la congiunzione tra substrati 3 di diodi 2 attigui.

Secondo una variante esecutiva, rappresentata in fig. 3, il sensore 100 comprende anche un quinto strato 130 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio del secondo tipo e interposto tra lo strato di passivazione 118 e la superficie posteriore 105 del substrato 103. Tale quinto strato 130 consente, vantaggiosamente, di aumentare l?isolamento funzionale tra celle attigue del sensore 100.

Peraltro, il quinto strato 130 ? a contatto con la superficie posteriore 105 che tipicamente presenta l?ulteriore strato drogato 140 dello stesso tipo. Tale ulteriore strato 140, che nei sensori 100 retroilluminati ricopre la finestra di ingresso dei fotoni, necessita di essere alimentato. Vantaggiosamente, tale alimentazione pu? avvenire per tramite del quinto strato 130 e dello strato di passivazione 118 e, quindi, con contatto elettrico posto sulla superficie frontale del sensore 100. Ci? consente di evitare qualsiasi metallizzazione sul retro del sensore 100.

Tale isolamento, tuttavia, potrebbe essere considerato insufficiente soprattutto a livello ottico per cui, secondo un?ulteriore variante esecutiva, rappresentata in fig. 4, il sensore di radiazioni 200 comprende una seconda regione di isolamento 232 realizzata perimetralmente al substrato 203 e che si sviluppa in profondit? a partire dalla superficie posteriore 205. Vantaggiosamente, quindi, l?isolamento funzionale tra celle attigue pu? essere calibrato opportunamente.

Anche in questo caso, e con gli stessi vantaggi dello strato di passivazione 218, vi ? poi un sesto strato 233 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio del secondo tipo ed avente spessore in accordo con i parametri di progettazione, che si interpone tra la seconda regione di isolamento 232 ed il substrato 203. Anche tale aspetto, tuttavia, non deve essere considerato limitativo per la presente invenzione, il sesto strato potendo essere assente in differenti varianti esecutive.

Anche la profondit? della seconda regione di isolamento 232 non ? una caratteristica limitativa per la presente invenzione. In altri termini, non ? indispensabile che la seconda regione di isolamento 232 giunga a contatto con lo strato di passivazione 218. Innanzitutto, infatti, secondo differenti varianti esecutive non rappresentate in questa sede, la seconda regione di isolamento va a contatto con la prima regione di isolamento cos? come il sesto strato va a contatto con lo strato di passivazione.

Secondo un?ulteriore variante esecutiva, rappresentata in fig. 5, la prima regione di isolamento 315 e la seconda regione di isolamento 332 rimangono distanziate cos? come lo strato di passivazione 318 ed il sesto strato 333. Tra essi si interpone un settimo strato 335 di materiale semiconduttore drogato con un drogaggio del secondo tipo in modo da garantire comunque un isolamento funzionale tra celle attigue.

Alla luce di quanto precede, si comprende che il sensore di radiazioni dell?invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In particolare, esso presenta prestazioni migliorate rispetto ai sensori equivalenti poich? il fattore di riempimento delle microcelle ? migliorato.

Pi? in dettaglio, le regioni di isolamento hanno una incidenza inferiore sul substrato diminuendo, se non sostanzialmente annullando, il loro contributo alla generazione del cosiddetto bordo morto grazie alla presenza di appositi strati drogati che li rivestono.

Il terzo strato e lo strato di passivazione consentono di migliorare il convogliamento delle cariche elettriche generate nel substrato verso lo strato a campo elettrico elevato e innescando efficacemente l?effetto di moltiplicazione di carica.

L?invenzione ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela del trovato definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale a titolo: ?UN SENSORE DI RADIAZIONI? RIVENDICAZIONI

1. Un sensore di radiazioni a diodi avente uno o pi? diodi a moltiplicazione di carica (2), detto sensore di radiazioni (1; 100; 200; 300) comprendendo:

- un substrato (3; 103; 203; 303) realizzato in materiale semiconduttore, avente una superficie frontale (4) ed una superficie posteriore (5; 105; 205) opposta a detta superficie frontale (4);

- almeno un primo strato di materiale semiconduttore (8) drogato con un drogaggio di un primo tipo e realizzato almeno in prossimit? di detta superficie frontale (4) di detto substrato (3; 103; 203; 303) in modo da ricoprire almeno una prima area centrale di detta superficie frontale (4) di detto substrato (3; 103; 203; 303);

- almeno un secondo strato di materiale semiconduttore (9) drogato con un drogaggio di un secondo tipo elettricamente di segno opposto a detto primo tipo e realizzato ad una prima profondit? in detto substrato (3; 103; 203; 303), detto secondo strato (9) essendo a sviluppo sostanzialmente parallelo a detto primo strato (8) in modo da interessare una seconda area, tra detto primo strato (8) e detto secondo strato (9) formandosi, in presenza di polarizzazione di detto sensore (1; 100; 200; 300), una regione a campo elettrico elevato (10) per la generazione dell?effetto di moltiplicazione di carica;

- almeno un terzo strato di materiale semiconduttore (12) drogato con un drogaggio di detto secondo tipo e realizzato ad una seconda profondit? in detto substrato (3; 103; 203; 303) maggiore di detta prima profondit?, detto terzo strato (12) interessando una terza area che, in proiezione in pianta, ? almeno parzialmente laterale a detta seconda area;

- almeno una prima regione di isolamento (15; 315) realizzata perimetralmente a detto substrato (3; 103; 203; 303) e che si sviluppa in profondit? in detto substrato (3; 103; 203; 303) a partire da detta superficie frontale (4) fino ad una zona intermedia tra detta superficie frontale (4) e detta superficie posteriore (5; 105; 205) in modo da essere disposta lateralmente almeno a detti primo (8) e secondo strato (9);

uno strato di passivazione (18; 118; 218; 318) essendo interposto almeno tra una porzione di parete laterale di detta prima regione di isolamento (8) e detto substrato (3; 103; 203; 303) almeno a partire da detta seconda profondit? di detto terzo strato (12).

2. Sensore di radiazioni secondo la rivendicazione 1, comprendente almeno un quarto strato di materiale semiconduttore (20) drogato con un drogaggio di detto primo tipo e realizzato almeno in prossimit? di detta superficie frontale (4) di detto substrato (3; 103; 203; 303) superiormente a detto primo strato (8), detto drogaggio di detto quarto strato (20) essendo superiore a detto drogaggio di detto primo strato (8) in modo da ottenere una conduttivit? di detto quarto strato (20) maggiore della conduttivit? di detto primo strato (8).

3. Sensore di radiazioni secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun punto del perimetro di detta seconda area ? distanziato da detto strato di passivazione (18; 118; 218; 318) di almeno una distanza predefinita.

4. Sensore di radiazioni secondo la rivendicazione 3, in cui detta terza area interessata da detto terzo strato (12) da un primo lato ? a contatto con detto strato di passivazione (18; 118; 218; 318) e si sviluppa in direzione opposta per una lunghezza almeno coincidente con detta distanza predefinita.

5. Sensore di radiazioni secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente almeno un quinto strato di materiale semiconduttore (130) drogato con un drogaggio di detto secondo tipo e interposto tra detto strato di passivazione (118) e detta superficie posteriore (105) di detto substrato (103).

6. Sensore di radiazioni secondo una o pi? delle rivendicazioni da 1 a 4, comprendente almeno una seconda regione di isolamento (232; 332) realizzata perimetralmente a detto substrato (203; 303) e che si sviluppa in profondit? in detto substrato (203; 303) a partire da detta superficie posteriore (205).

7. Sensore di radiazioni secondo la rivendicazione 6, comprendente almeno un sesto strato di materiale semiconduttore (233; 333) drogato con un drogaggio di detto secondo tipo, detto sesto strato (233; 333) essendo interposto tra detta seconda regione di isolamento (232; 332) e detto substrato (203; 303).

8. Sensore di radiazioni secondo la rivendicazione 7, comprendente almeno un settimo strato di materiale semiconduttore (335) drogato con un drogaggio di detto secondo tipo e interposto tra detto strato di passivazione (318) e detto sesto strato (333).

9. Sensore di radiazioni secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, in cui dette regioni di isolamento (15; 232; 332) sono realizzate con ossido di detto materiale semiconduttore.

10. Sensore di radiazioni secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, comprendente un ulteriore strato drogato (40; 140) con drogaggio del secondo tipo su detta superficie posteriore di detto substrato.