IT202100022547A1 - Dispositivo opto-elettronico per il rilevamento e la localizzazione di oggetti per applicazioni lidar - Google Patents

Dispositivo opto-elettronico per il rilevamento e la localizzazione di oggetti per applicazioni lidar Download PDF

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IT202100022547A1
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IT
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Delfo Nunziato Sanfilippo
Piero Fallica
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?DISPOSITIVO OPTO-ELETTRONICO PER IL RILEVAMENTO E LA LOCALIZZAZIONE DI OGGETTI PER APPLICAZIONI LIDAR?
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo opto-elettronico per il rilevamento e la localizzazione di oggetti per applicazioni LIDAR.
Come noto, i sistemi LIDAR (LIght Detection And Ranging o Laser Imaging Detection And Ranging) sono sempre pi? usati, in possibile combinazione con le telecamere e i sistemi radar, per la mappatura ambientale e per altre applicazioni di sicurezza, come la frenata di emergenza, il rilevamento dei pedoni e l?elusione delle collisioni (?collision avoidance?) nel settore automotive, grazie alla loro capacit? di rilevamento 3D e all?abilit? di funzionare nell?oscurit? e in condizioni metereologiche sfavorevoli.
Ad esempio, la figura 1 mostra un sistema di assistenza guidatore avanzato (cosiddetto ADAS, dall'inglese ?Advanced Driver Assistance System?) includente una pluralit? di sistemi di sicurezza basati su differenti tecnologie. In particolare, la figura 1 mostra un veicolo 1 dotato di sensori ad ultrasuoni, coprenti approssimativamente aree delimitate da linee continue 2 e utilizzati principalmente per le funzioni di ausilio al parcheggio; sensori radar a corto/medio raggio, coprenti approssimativamente aree delimitate da linee tratteggiate con tratti lunghi 3 e utilizzati principalmente per le funzioni di segnalazione di traffico trasversale, copertura delle zone cieche (?blind spot detection?) e generazione di avvisi di collisione posteriore; una telecamera, coprente approssimativamente aree delimitate da linee tratteggiate con tratti brevi 4 e destinata principalmente alla visione ambientale, al riconoscimento delle indicazioni stradali e alla segnalazione di uscita dalla corsia; sensori LIDAR, coprenti approssimativamente un'area delimitata da una linea a puntini 5 e utilizzati principalmente per le funzioni di frenata di emergenza, di rilevamento pedoni e di elusione di collisioni (?collision avoidance?); e un radar coprente approssimativamente un'area delimitata da linea a tratto e punto 6 e utilizzato principalmente per le funzioni di controllo adattativo della marcia (?adaptative cruise control?).
In particolare, per quanto riguarda i sensori LIDAR, essi misurano generalmente la distanza di un oggetto circostanti sulla base del tempo trascorso fra l'emissione di un impulso laser e la ricezione del segnale riflesso dall'oggetto (cosiddetta tecnica di misura di tempi di volo (ToF, ?Time of Flight?).
In generale, i sensori LIDAR operano su luce nel campo ultravioletto, visibile e del vicino infrarosso. Nel caso di applicazione automobilistica, ? invece desiderato che operino nel campo della luce non visibile, tipicamente infrarossa, con lunghezza d'onda di circa 900 nm; che abbiano una lunga distanza di rilevamento, maggiore di 100 m, con risoluzione di misura di ?15 cm; che la luce emessa non sia dannosa per l'occhio umano; siano molto compatti e veloci; e presentino una risoluzione temporale molto buona.
Di conseguenza sono gi? stati proposti sensori LIDAR integrati in dispositivi elettronici e realizzati come SPAD (?diodo fotorivelatore a singolo fotone?), in grado in grado di integrare sia la parte di emissione sia la parte di ricezione, nonch? l'elettronica di controllo.
Ad esempio, le figure 2-4 mostrano un dispositivo LIDAR 10, formato in una piastrina 12 di materiale semiconduttore quale silicio (figura 4), avvolta in un involucro 13 (?housing?, figura 2) e integrante una porzione di emissione 14 e una porzione di ricezione 15 (figura 3). Le porzioni di emissione 14 e di ricezione 15 sono affacciate a rispettive aperture 16, 17 nell'involucro 13 (figura 2).
Nel dispositivo LIDAR 10, la porzione di emissione 14 emette un fascio laser che in parte viene riflesso su una superficie semiriflettente 18 e viene subito ricevuto dalla porzione di ricezione 15 (in figura 3 ? mostrato un primo fotone 19, riflesso internamente) e in parte viene emesso all'esterno del dispositivo LIDAR 10, colpisce un oggetto esterno 20 e viene riflesso da questo (in figura 3 ? mostrato un secondo fotone 21, emesso verso l'esterno). Dalla differenza di tempo fra la ricezione del primo e del secondo fotone 19, 21, il dispositivo LIDAR 10 pu? calcolare la distanza dell'oggetto esterno 20, in modo noto.
Le porzioni di emissione 14 e di ricezione 15 sono accoppiate ad un modulo elettronico di comando ed elaborazione 22 che sincronizza le porzioni 14, 15 ed esegue il calcolo della distanza, in modo da avere tempi di rilevamento ridotti.
La porzione di emissione 14 pu? essere formata da schiere di diodi laser attivati in sequenza o in parallelo; ad esempio, possono essere usate schiere di diodi ricevitori SPAD, che possono essere disposti in configurazione a moltiplicatore di fotoni, anche chiamato SiPM, Silicon Photomultiplier.
La figura 4 mostra una porzione di una piastrina 12 integrante una schiera di diodi SPAD, qui due diodi SPAD 25 realizzati in tecnologia CMOS standard.
Qui, ciascun diodo SPAD 25 comprende una regione di anodo 26, con conducibilit? di tipo P<+>, formante una giunzione PN 27 con una rispettiva regione impiantata 28, posta al di sotto, e con conducibilit? di tipo N. La regione impiantata 28 forma una regione di drift, e costituisce il catodo del rispettivo diodo SPAD 25. Regioni di stop di canale 30, di tipo N<+>, separano elettricamente i diodi SPAD 25 uno dall'altro.
Le regioni impiantate 28 si estendono in uno strato epitassiale 31, di tipo N-, formante uno strato di diffusione, sovrastante un substrato 32, di tipo N<+>. Al di sotto del substrato 32 si estende una metallizzazione di anodo 33.
Sulla superficie dello strato epitassiale 31, sopra le regioni di anodo 26, si estendono regioni antiriflettenti 34, circondate da regioni isolanti 35. Le regioni isolanti 35, ad esempio formate da una pluralit? di strati di ossido e/o altri dielettrici, alloggiano resistori di spegnimento (quenching) 37.
Le regioni di anodo 30 sono poco profonde e possono avere forma circolare o allungata in direzione perpendicolare al piano del disegno (parallelamente all'asse Y di un sistema di coordinate cartesiane XYZ); in entrambi i casi, esse hanno estensione (in direzione parallela all'asse X o Y del sistema di coordinate cartesiane XYZ) molto maggiore rispetto alla profondit? (in direzione parallela all'asse Z).
In uso, i diodi SPAD 25 vengono polarizzati in inversa ad elevata tensione, superiore a quella di breakdown. Nelle regioni impiantate 28, sotto le rispettive giunzioni PN 27, si formano rispettive zone di svuotamento (?depletion?), delimitate con linea tratteggiata 38 in figura 4; qui il campo elettrico ? cos? alto che portatori di corrente, generati dai fotoni, possono attivare una corrente a valanga di breve durata, ma relativamente elevata, raccolta dallo strato di diffusione.
La corrente a valanga continua fino a quando essa viene ?strozzata? (?quenched?), abbassando la tensione di polarizzazione, portandola al valore di breakdown, o ad un valore inferiore; in questa situazione, il minore campo elettrico non ? pi? in grado di accelerare i portatori di carica a sufficienza perch? essi ionizzino per impatto gli atomi del reticolo cristallino della regione di drift 28. Di conseguenza, la corrente cessa. Per poter rilevare successivi fotoni, la tensione di polarizzazione viene nuovamente aumentata al di sopra della tensione di breakdown.
I diodi SPAD noti operano in modo efficiente e vantaggioso, soprattutto nel campo della luce UV e visibile, ma sono meno efficienti nella banda dell'infrarosso; nel caso di applicazioni automobilistiche, dove, come si ? detto, si desidera raccogliere luce infrarossa, anche molto debole, riflessa da oggetti lontani, ? quindi desiderabile aumentare la loro sensibilit?.
A tale scopo, i diodi SPAD proposti per applicazioni automobilistiche presentano regioni di anodo 26 molto larghe, cos? da aumentare l'area di giunzione e quindi la sensibilit? del diodo e la sua capacit? di generare corrente. Ad esempio, sono stati proposti diodi SPAD aventi regioni di anodo 26 di diametro fino a 200 ?m, con profondit? lungo l'asse Z di 1-2 ?m.
Tuttavia, lo spazio a disposizione nella piastrina non consente l'aumento delle dimensioni della giunzione in misura sufficiente agli scopi, tenendo conto che essa integra anche la porzione di emissione e la porzione logica di controllo ed elaborazione.
Per risolvere tale problema, ? stato gi? proposto di integrare la porzione logica in un'area inferiore della piastrina, al di sotto delle porzioni di ricezione 15 ed emissione 14, implementando le connessioni elettriche mediante vie di attraversamento del silicio (?through silicon vias?), come descritto ad esempio in ?First Near-Ultraviolet- and Blue-Enhanced Backside-Illuminated Single-Photon Avalanche Diode Based on Standard SOI CMOS Technology?, Myung-Jae Lee, Pengfei Sun, Gregory Pandraud, Claudio Bruschini, e Edoardo Charbon, IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 25, NO. 5, SEPTEMBER/OCTOBER 2019.
Tale soluzione tuttavia non ? adatta all'applicazione automotive; infatti essa mostra una riduzione sensibile di efficienza di rivelazione a lunghezze d'onda maggiori di 900 nm, e quindi nel campo di frequenze utili per l'uso in LIDAR.
Inoltre, nei dispositivi noti, la giunzione sottile non permette di avere uno elevato assorbimento di fotoni.
Scopo della presente invenzione ? realizzare un diodo SPAD che superi gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione vengono realizzati un dispositivo opto-elettronico e il relativo procedimento di fabbricazione, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte alcune forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 ? una vista dall?alto di un veicolo e della copertura di campo ottenibile con un sistema di assistenza avanzato del guidatore (ADAS);
- la figura 2 ? una vista in prospettiva di un dispositivo LIDAR;
- la figura 3 mostra schematicamente la struttura funzionale di un dispositivo LIDAR e del modo di rilevamento di un oggetto;
- la figura 4 ? una vista in sezione trasversale prospettica di una parte di un dispositivo LIDAR integrato noto;
- la figura 5 ? una sezione trasversale attraverso una porzione di una piastrina di materiale semiconduttore, integrante un diodo SPAD, secondo una forma di realizzazione;
- la figura 6 mostra un profilo di drogaggio del diodo SPAD di figura 5 e il corrispondente andamento del campo elettrico lungo la linea orizzontale VI di figura 5;
- la figura 7 mostra un profilo di drogaggio del diodo SPAD di figura 5 lungo la linea verticale VII di figura 5;
- la figura 8 ? una sezione trasversale attraverso la porzione di piastrina di figura 5, in una fase intermedia di fabbricazione; e
- le figure 9-13 sono viste in sezione trasversale di altre forme di realizzazione del presente diodo SPAD.
La figura 5 mostra una porzione di una piastrina 40 di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, integrante una schiera di diodi SPAD 41 aventi struttura verticale molto profonda e appartenenti ad un dispositivo opto-elettronico 90. In particolare, la figura 5 mostra due diodi SPAD 41; in generale, ciascuna schiera pu? comprendere una pluralit? di diodi SPAD disposti a formare una matrice NxM, ad esempio di 40 x 30.
Nell'esempio di realizzazione di figura 5, la piastrina 40 comprende uno strato epitassiale 42 di materiale semiconduttore, ad esempio di silicio, di un primo tipo di conducibilit?, qui di tipo N, e livello di drogaggio non uniforme, sovrapposto ad un substrato 43, del primo tipo di conducibilit?. In particolare, qui, lo strato epitassiale 42 comprende uno strato inferiore 45, meno drogato, uno strato intermedio 46, pi? drogato, ed uno strato superficiale 47, meno drogato. Il substrato 43 presenta livello di drogaggio maggiore rispetto allo strato epitassiale 42.
Ad esempio, il substrato 43 pu? avere una concentrazione di ioni droganti dell'ordine di 10<19>; lo strato inferiore 45 pu? avere una concentrazione di ioni droganti dell'ordine di 10<15>-10<16>; lo strato intermedio 46 pu? avere una concentrazione di ioni droganti dell'ordine di 10<16>-10<17 >e lo strato superficiale 47 pu? avere una concentrazione di ioni droganti dell'ordine di 10<15>-10<16>, ma inferiore a quello dello strato intermedio 46,come visibile nel profilo di drogaggio mostrato in figura 7 che riporta la concentrazione di ioni droganti lungo una linea verticale passante nello strato epitassiale 42 fra due diodi SPAD 41. Ad esempio, il substrato 43, lo strato inferiore 45, lo strato intermedio 46 e lo strato superficiale 47 possono essere tutti drogati con fosforo.
Lo strato epitassiale 42 alloggia una pluralit? di regioni profonde 48, di un secondo tipo di conducibilit?, qui di tipo P, ad esempio drogate con boro ad una concentrazione compresa fra 5*10<16 >e 5*10<17 >atomi/cm<-3>. Le regioni profonde 48 formano una giunzione 49 con lo strato epitassiale 42.
Le regioni profonde 48 si estendono nello strato epitassiale 42, affiancate e parallele, a distanza reciproca. Ad esempio, le regioni profonde 48 possono essere poste ad una distanza (in direzione parallela ad un primo asse X di un sistema di riferimento cartesiano XYZ avente anche un secondo asse Y e un terzo asse Z) maggiore di 1,4 ?m, in particolare di 3-4 ?m, ed avere una larghezza (parallelamente al primo asse X) molto piccola, ad esempio compresa fra 0,7 e 5 ?m. In particolare, le regioni profonde 48 possono avere forma circolare (in un piano parallelo al piano XY) oppure avere forma di strisce estendentisi lungo il secondo asse Y; ad esempio le strisce possono avere lunghezza molto grande, fino a 1 mm.
Le regioni profonde 48 hanno inoltre una profondit? (in direzione parallela al terzo asse Z del sistema di riferimento cartesiano XYZ) molto maggiore rispetto alla larghezza in direzione X. In particolare, le regioni profonde 48 attraversano lo strato superficiale 47, lo strato intermedio 46 e parte dello strato inferiore 45, per una profondit? di ad esempio 10 ?m. In generale, la profondit? pu? essere di almeno cinque volte, tipicamente dieci volte o pi? della larghezza.
Di conseguenza, ciascuna regione profonda 48 presenta una porzione superficiale 48A, circondata dallo strato superficiale 47, una porzione intermedia 48B, circondata dallo strato intermedio 46, ed una porzione di fondo 48C, circondata dallo strato inferiore 45.
In alternativa a quanto mostrato, la porzione di fondo 48C pu? arrivare fino allo strato inferiore 45, senza estendersi sostanzialmente in questo (a meno di diffusione parziale); in questo caso, lo strato inferiore 45 delimita inferiormente la porzione di fondo 48C.
Nel caso che il primo tipo di conducibilit? sia N e il secondo tipo di conducibilit? sia P, quindi, le regioni profonde 48 formano regioni di anodo e lo strato epitassiale 42 forma una regione di catodo, comune per i diodi SPAD 41.
Data la struttura verticale delle regioni profonde 48, la giunzione 49 di ciascun diodo SPAD 41 presenta un'ampia area.
Lo strato epitassiale 42 presenta una superficie superiore 42A sulla quale si estende uno strato isolante 50; e una superficie inferiore 42B contigua al substrato 43.
Lo strato isolante 50 ha aperture contatti 51 in corrispondenza delle regioni profonde 48. Regioni di contatto 52, di materiale metallico, si estendono attraverso le aperture contatti 51 e parzialmente sopra lo strato isolante 50 e contattano elettricamente ciascuna una rispettiva regione profonda 48. Uno strato di passivazione 55 copre lo strato isolante 50 e le regioni di contatto 52.
In condizione di polarizzazione inversa, in modo noto, sulla giunzione 49 si instaura un elevato campo elettrico, come mostrato in figura 6 dalla curva B, sovrapposta alla curva A mostrante il profilo di drogaggio lungo la linea orizzontale VI di figura 5. Come si nota, il campo elettrico E ha forti picchi in corrispondenza delle giunzioni 49 (dove si ha l'inversione del tipo di conducibilit?, rappresentata dai picchi negativi della curva A).
Grazie all'ampia area di giunzione di ciascun diodo SPAD 41, e quindi dell'ampia zona in cui si pu? attivare la generazione a valanga di portatori, i diodi SPAD 41 presentano elevata sensibilit?.
Infatti, studi della Richiedente hanno mostrato che, a lunghezze d'onda comprese fra 905 e 940 nm, la profondit? di assorbimento (?absorption depth?), ovvero la profondit? alla quale la frazione [(e-1)/e] dei fotoni incidenti ? stata assorbita) ? di 30-50 ?m, aumentando quindi considerevolmente le dimensioni della zona di assorbimento dei fotoni rispetto a soluzioni note.
Inoltre, la variabilit? di drogaggio in direzione della profondit? (parallelamente al terzo asse Z) permette di ridurre l'intensit? di campo elettrico E nelle zone di giunzione superiore e inferiore (zone formate dalle porzioni superficiali 28A e dalle porzioni di fondo 28C delle regioni profonde 48 con lo strato inferiore 45 e, rispettivamente, con lo strato superficiale 47), concentrandolo nella zona della porzione intermedia 48B.
In questo modo, si evita che il campo elettrico si concentri in tali zone di giunzione superiori e inferiori, e provochi un breakdown prematuro, che potrebbe portare ad un funzionamento non corretto dei diodi SPAD 41.
La struttura di figura 5 pu? essere realizzata come segue (si faccia anche riferimento alla figura 8, mostrante una struttura intermedia).
La fabbricazione parte da una fetta 57 formante il substrato 43; la fetta 57 ? drogata con ioni destinati a conferire il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere una concentrazione, ad esempio, dell'ordine di 10<19>;
sul substrato 43 viene cresciuto epitassialmente lo strato inferiore 45, anch'esso drogato con ioni destinati a conferire il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere una concentrazione, ad esempio, dell'ordine di 10<19>, per uno spessore ad esempio compreso fra 0,2 e 2 ?m;
sullo strato inferiore 45 viene cresciuto epitassialmente lo strato intermedio 46, drogato con ioni destinati a conferire il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere una concentrazione, esempio, dell'ordine di 10<15>-10<16 >atomi/cm<3>, per uno spessore ad esempio compreso fra 0,2 e 40 ?m;
sullo strato intermedio 46 viene cresciuto epitassialmente lo strato superficiale 47, drogato con ioni destinati a conferire il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere una concentrazione, ad esempio, di circa 5*10<15>-5*10<16 >atomi/cm<-3>, per uno spessore ad esempio compreso fra 0,1 e 1 ?m. In questo modo si forma lo strato epitassiale 42, avente la superficie superiore 42A;
sulla superficie superiore 42A dello strato epitassiale 42 viene deposto uno strato di ossido 58;
mediante una tecnica fotolitografica, nello strato di ossido 58 vengono formate aperture ossido 59; e
lo strato epitassiale 42 viene rimosso selettivamente sotto le aperture ossido 59, formando trincee 60. Le trincee possono avere una profondit? compresa fra 2 e 40 ?m.
Si ottiene cos? la struttura intermedia di figura 8. Successivamente, con riferimento alla figura 5, le trincee 60 vengono riempite, ad esempio crescendo epitassialmente silicio drogato con ioni destinati a conferire il secondo tipo di conducibilit?, ad esempio con boro, in modo da formare le regioni profonde 48 aventi ad esempio una concentrazione compresa fra 5*10<16 >e 5*10<17 >atomi/cm<-3>,;
vengono eseguite fasi termiche di annealing e diffusione in forno (tramite un trattamento termico rapido RPT ? Rapid Thermal Processing);
viene rimosso lo strato di ossido 58 e viene deposto lo strato isolante 50;
lo strato isolante 50 viene attaccato, per formare le aperture contatti 51;
viene deposto uno strato metallico, che riempie le aperture contatti 51;
lo strato metallico viene definito, per formare le regioni di contatto 52;
viene deposto lo strato di passivazione 55; e
la fetta 57 viene tagliata per formare la piastrina 40. Prima di depositare lo strato dielettrico, possono essere eseguite altre fasi di fabbricazione per la realizzazione di una porzione di emissione e una porzione di controllo e elaborazione di un dispositivo LIDAR, come descritto con riferimento alla figura 3.
Secondo differenti forme di realizzazione, le trincee 60 vengono riempite con silicio policristallino o silicio amorfo drogato. In questo modo, la fetta viene sottoposta a fasi termiche a temperatura inferiore rispetto alla crescita epitassiale delle regioni profonde 48. Di conseguenza, gli atomi droganti delle regioni profonde 48 hanno minore diffusone laterale ed ? possibile realizzare strutture di dimensioni inferiori, a parit? di caratteristiche elettriche.
Secondo altre forme di realizzazione, le trincee 60 vengono riempite con silicio policristallino o amorfo o con materiale dielettrico, dopo che le pareti delle trincee sono state drogate con ioni in grado di conferire il secondo tipo di conducibilit?.
Ad esempio, si veda la figura 9, dopo la formazione delle trincee 60, vengono eseguite diverse fasi di impianto inclinato, ruotando nel contempo la fetta 57. In particolare, facendo ruotare completamente la fetta 57, pu? essere eseguito un primo impianto ad un angolo di 2?-10?, con una dose compresa fra 5*10<13 >e 5*10<15 >atomi/cm<-2>, un'energia di, ad esempio, 10-100 keV, in modo da formare uno strato molto drogato, del secondo tipo di conducibilit?, lungo le pareti e sul fondo delle trincee 60.
Quindi, nella forma di realizzazione di figura 9, le trincee 60 vengono riempite con silicio policristallino o amorfo, e viene eseguito un trattamento termico e un cottura in forno, proseguendo come descritto sopra.
In questo modo, durante il trattamento termico, il drogante impiantato diffonde nel materiale di riempimento, creando una zona periferica 61 pi? drogata, che forma la giunzione 49 con lo strato epitassiale 42, e una regione centrale 62, meno drogata. Si noti che, nonostante che in figura 9 la zona periferica 61 e la zona centrale 62 siano indicate in modo distinto, in generale la transizione ? graduale.
Nella forma di realizzazione di figura 10, dopo l'impianto dello strato molto drogato del secondo tipo di conducibilit?, le trincee 60 vengono riempite con materiale dielettrico (dielettrico di riempimento 64). In ciascun diodo SPAD 41, quindi, il drogante impiantato del secondo tipo rimane sostanzialmente confinato nella zona periferica, indicata con 63 e formante la giunzione 49 con lo strato epitassiale 42 adiacente.
In entrambe le soluzioni delle figure 9 e 10, si ottiene una zona periferica 61 o 63, di forma tubolare, con elevatissima concentrazione. Questo permette di ottenere, quando ciascun diodo SPAD 41 viene polarizzato, un elevato campo elettrico in corrispondenza della giunzione 49, aumentando la velocit? di rilevamento.
Secondo un'altra forma di realizzazione ancora, lo strato epitassiale e le regioni profonde possono essere formate mediante crescita e drogaggio ripetuto di strati relativamente sottili, evitando cos? di realizzare le trincee 60.
Ad esempio, la figura 11 mostra un dispositivo optoelettronico 100 integrante una schiera di diodi SPAD 141 (due dei quali mostrati), in cui lo strato epitassiale, indicato con 142, comprende uno strato inferiore 145, meno drogato, uno strato intermedio 146, pi? drogato, ed uno strato superficiale 147, meno drogato.
Lo strato intermedio 146 ? formato da una pluralit? di sotto-strati 165, depositati in successione, ciascun sottostrato essendo drogato nelle zone dove si vogliono formare le regioni profonde, indicate complessivamente con 148.
Ad esempio, il dispositivo opto-elettronico 100 di figura 11 pu? essere realizzato come segue:
a) Si parte da una fetta 157 comprendente uno strato di base 143, ad esempio un substrato o uno strato epitassiale avente una superficie posteriore 143A. Lo strato di base 143 ? fortemente drogato in modo da presentare il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo in modo da avere una concentrazione, ad esempio, dell'ordine di 10<19>;
b) sullo strato di base 143 viene formato, ad esempio cresciuto epitassialmente, lo strato inferiore, qui indicato con 145, anch'esso drogato in modo da presentare il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere ad esempio una concentrazione di atomi droganti dell'ordine di ad esempio 10<15>-10<16 >atomi/cm<3>; lo strato inferiore 145 pu? avere uno spessore compreso fra 0,2 e 40 ?m;
c) sullo strato inferiore 145 viene cresciuto epitassialmente, un primo sotto-strato 165.1, drogato in modo da presentare il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere una concentrazione di atomi droganti ad esempio dell'ordine di 10<16>-10<17 >atomi/cm<3>; il primo sotto-strato 165.1 pu? avere uno spessore compreso fra 0,5 e 5 ?m;
d) nel primo sotto-strato 165.1 vengono realizzate prime sotto-regioni profonde 166.1, del secondo tipo di conducibilit?. Le prime sotto-regioni profonde 166.1 possono avere forma circolare o allungata e possono essere realizzate per impiantazione ionica mascherata e attivazione termica rapida, in modo da avere, ad esempio, una concentrazione di atomi droganti dell'ordine di 10<17>-10<19 >atomi/cm<3>, per una larghezza (parallelamente sia al primo asse X sia al secondo asse Y) compresa fra 0,2 e 4 ?m. Le prime sotto-regioni profonde 166.1 nel primo sotto-strato 165.1 sono distanziate di almeno 1,4 ?m una dall'altra;
e) le fasi c) e d) vengono ripetute pi? volte in modo da realizzare n sotto-strati 165.1+1, ?, 165.i, ?, 165.n, ciascuno alloggiante rispettive sotto-regioni profonde 166.1+1, ?, 166-i, ?, 166.n, in cui le sotto-regioni profonde da 166.1 a 166.n hanno stessa forma, stesse dimensioni e sono sovrapposte reciprocamente. Si formano cos? lo strato intermedio 146, avente uno spessore compreso ad esempio fra 0,2 e 40 ?m, e le regioni profonde 148;
f) sullo strato intermedio 146 viene formato, ad esempio cresciuto epitassialmente, lo strato superficiale 147, drogato in modo da presentare il primo tipo di conducibilit?, ad esempio con fosforo, in modo da avere una concentrazione, ad esempio, di circa 5*10<15>-5*10<16 >atomi/cm<-3>, per uno spessore compreso fra 0,1 e 1 ?m. In questo modo si forma lo strato epitassiale 142, formanti giunzioni 149 con le regioni profonde 148 e avente superficie superiore 142A e superficie inferiore 142B a contatto con lo strato di base 143;
g) regioni drogate superiori 164, del secondo tipo di conducibilit?, vengono realizzate nello strato superficiale 147, sovrapposte e verticalmente allineate alle regioni profonde 148. Ad esempio, le regioni drogate superiori 166 possono essere realizzate per impiantazione ionica mascherata e attivazione termica rapida, con una concentrazione di atomi droganti dell'ordine di 5*10<19>-5*10<20 >atomi/cm<3>, per una larghezza (parallelamente sia al primo asse X sia al secondo asse Y) compresa fra 0,18 e 2 ?m;
h) al di sopra della superficie superiore 142A dello strato epitassiale 142 viene realizzato uno strato dielettrico superiore 150. Lo strato dielettrico superiore 150 pu? essere composto da un multistrato e pu? comprendere un rivestimento antiriflesso e/o fibre ottiche, nel caso che il dispositivo opto-elettronico 100 sia destinato a lavorare in condizione di luce frontale;
i) al di sotto della superficie posteriore 143A dello strato di base 143 viene realizzato uno strato dielettrico inferiore 154. Lo strato dielettrico inferiore 154 pu? essere composto da un multistrato e pu? comprendere un rivestimento antiriflesso e/o fibre ottiche, nel caso che il dispositivo opto-elettronico 100 sia destinato a lavorare in condizione di luce posteriore;
j) nello strato dielettrico superiore 150 vengono formate aperture contatti diodo 151 e all'interno di queste vengono realizzate regioni di plug di diodo 167, ad esempio di tungsteno (tungsten plug), in contatto elettrico diretto con le regioni profonde 148;
k) un primo strato metallico viene depositato e definito per formare regioni di contatto superiori 152, al di sopra e in contatto elettrico diretto con le regioni di plug di diodo 167; in modo non mostrato, le regioni di contatto superiori 152 possono fare parte di interconnessioni estendentisi al di sopra dello strato dielettrico superiore 150 per collegare elettricamente i diodi SPAD 141 fra loro e/o ad altri componenti integrati nello stesso dispositivo opto-elettronico 100. Inoltre, nel caso di dispositivo opto-elettronico realizzato come Deep SiPM (fotomoltiplicatore di silicio profondo - ?Deep Silicon PhotoMultiplier?, le regioni di contatto superiori 152 collegano i diodi SPAD 141 a resistori di spegnimento (?quetching?) di polisilicio, non mostrati, formati all'interno dello strato dielettrico superiore 150; e
l) lo strato dielettrico inferiore 154 viene rimosso selettivamente in corrispondenza di porzioni esposte 168, per accedere allo strato di base 143 e consentirne il collegamento elettrico. Le porzioni esposte 168 sono disposte ad esempio in corrispondenza di spigoli o bordi del dispositivo opto-elettronico 100; sulle porzioni esposte 168 vengono quindi realizzate o applicate regioni di contatto inferiori 175. Le regioni di contatto inferiori 175 possono essere regioni metalliche deposte, oppure clip metalliche incollate dopo il taglio della fetta, nel caso di incapsulamento a livello di chip. In tutti i casi, le regioni di contatto inferiori 175 sono in contatto elettrico con lo strato di base 143 e con lo strato epitassiale 142 e quindi con la regione di catodo, nel caso che il primo tipo di conducibilit? sia P e il secondo tipo di conducibilit? sia N.
La soluzione di figura 11 consente di utilizzare macchine comunemente utilizzate nel campo dei semiconduttori, con fasi di processo facilmente eseguibili e senza effettuare scavi profondi, e quindi a costi contenuti.
La figura 12 mostra un dispositivo opto-elettronico 110 in cui una colonna 180 del primo tipo di conducibilit?, ma livello di drogaggio maggiore rispetto allo strato epitassiale 142, viene realizzata fra due regioni profonde. Tale soluzione, applicabile anche alle forme di realizzazione delle figure 5, 9 e 10, ? qui mostrata per la soluzione della figura 11, e quindi parti uguali sono indicate con gli stessi numeri di riferimento di figura 11 e non vengono descritte ulteriormente.
La colonna 180 pu? avere ad esempio una concentrazione di ioni droganti dell'ordine di 10<17>-10<19>, larghezza di 0,2-4 ?m ed essere spaziata dalle regioni profonde 148 di almeno 1,4 ?m.
In figura 12, la colonna 180 si estende fra la superficie superiore 142A dello strato epitassiale 142 e lo strato di base 143, con cui ? in contatto elettrico diretto.
Lo strato dielettrico superiore 150 presenta una apertura contatto colonna 181 alloggiante una regione di plug di colonna 182 analoga alle regioni di plug di diodo 167, ad esempio di tungsteno, in contatto elettrico diretto con la colonna 180. Una regione di contatto di colonna 183, analoga alle regioni di contatto superiori 152, si estende in parte nella apertura contatto colonna 181 e parte al di sopra e consente di accoppiare elettricamente la regione di catodo (formata anche qui dalla regione di base 143 e dallo strato epitassiale 142) con l'esterno, riducendo la resistenza serie. In questo caso, quindi, lo strato dielettrico inferiore 154 copre completamente lo strato di base 143 e non vi sono le regioni di contatto inferiori.
Il dispositivo opto-elettronico 110 pu? essere realizzato in modo analogo a quanto descritto per il dispositivo opto-elettronico 100 di figura 11, tranne per il fatto che, dopo la crescita di ogni sotto-strato 165.1, prima o dopo la realizzazione delle sotto-regioni profonde 166.i, viene realizzata una o pi? sotto-regioni di colonna 185.i, sovrapposte e allineate verticalmente alle sotto-regioni di colonna gi? formate in sotto-strati inferiori. Inoltre, una sotto-regione di colonna 185.0 viene realizzata anche nello strato inferiore 145, al di sotto delle sotto-regioni di colonna 185.i, e collega elettricamente la colonna 180 allo strato di base 143.
Anche le sotto-regioni di colonna 185.i possono essere realizzate per impiantazione ionica mascherata con ioni destinati a conferire il primo tipo di conducibilit? (ad esempio con fosforo) e attivazione termica rapida (quest'ultima, eventualmente effettuata contemporaneamente a quella delle corrispondenti sotto-regioni profonde 166.i). Le sotto-regioni di colonna 185.i possono avere concentrazione di ioni droganti dell'ordine di 10<17>-10<19>, larghezza di 0,2-4 ?m ed essere spaziate dalle corrispondenti sotto-regioni profonde 166.i di almeno 1,4 ?m.
Inoltre, una regione superiore di colonna 186 viene realizzata nello strato superficiale 147, sovrapposta e verticalmente allineata alla sotto-regione di colonna 185.n. Ad esempio, la regione superiore di colonna 186 pu? essere realizzata per impiantazione ionica mascherata con ioni destinati a conferire il primo tipo di conducibilit? (ad esempio con fosforo) e attivazione termica rapida, con una concentrazione di atomi droganti dell'ordine di 10<17>-5*10<19 >atomi/cm<3>, per una larghezza (parallelamente sia al primo asse X sia al secondo asse Y) compresa fra 0,2 e 4 ?m.
La regione di contatto di colonna 183 pu? essere realizzata in modo analogo e simultaneamente alle regioni di contatto superiori 152.
Grazie all'elevato livello di drogaggio della colonna 180, ? possibile ridurre la resistenza serie dei diodi SPAD 141.
Nel caso di dispositivo opto-elettronico 110 realizzato come Deep SiPM, la colonna 180 pu? essere utilizzata come resistore di quenching.
Il dispositivo opto-elettronico 110 pu? avere una o pi? colonne 183, disperse fra regioni profonde 148 adiacenti.
La figura 13 mostra un dispositivo opto-elettronico 120 simile al dispositivo opto-elettronico 110 di figura 12. Nel dispositivo opto-elettronico 120, regioni a drogaggio incrementato 190 si estendono sui lati di ciascuna regione profonda 148, per una porzione dell'altezza di queste, e lo strato epitassiale 142 presenta drogaggio uniforme per tutto lo spessore. Lo strato inferiore 145 e lo strato superiore 147 di figura 12 sono quindi sostituiti da due sotto-strati 150-0 e 150-n+1, aventi lo stesso livello di drogaggio dei sotto-strati da 150-1 a 150-n.
Nel caso che le regioni profonde 148 abbiano sezione circolare o ovale, le regioni a drogaggio incrementato 190 si estendono tutto intorno a esse; nel caso che esse siano formate da lunghe strisce, con estensione maggiore in direzione parallela al secondo asse Y, esse si estendono sui due lati maggiori delle regioni profonde 148 (come visibile nella sezione di figura 13).
Le regioni a drogaggio incrementato 190 presentano il primo tipo di drogaggio, qui di tipo N, e livello di drogaggio intermedio fra quello dello strato epitassiale 142 e quello della colonna 180. Ad esempio, le regioni a drogaggio incrementato 190 possono avere concentrazione di ioni droganti (ad esempio fosforo) dell'ordine di 10<16>-10<17>, e larghezza di 0,2-4 ?m.
Le regioni a drogaggio incrementato 190 possono essere realizzate per sovrapposizione di sotto-regioni a drogaggio incrementato 191.i, in cui i ? l'indice di strato 165, analogamente alle regioni profonde 148 e alla colonna 180.
In questo caso, dopo la crescita di ciascuno sottostrato 165.i, a partire dallo sotto-strato 165.2 e fino al sotto-strato 165.n, vengono formate le prime sotto-regioni profonde 166.i, la o le regioni di colonna parziale 185.i e le sotto-regioni a drogaggio incrementato 191.i, ad esempio mediante separate fasi di impiantazione ionica mascherata, e un'unica attivazione termica rapida per ciascuno sottostrato 165.i.
Con la soluzione di figura 13, si ha una localizzazione maggiore della zona di breakdown, evitando di realizzare livelli di drogaggio differenti dello strato epitassiale 142.
Inoltre, nel caso che le regioni a drogaggio incrementato 190 abbiano lo stesso livello di drogaggio della colonna 180, il dispositivo opto-elettronico 120 pu? essere realizzato con fasi del tutto uguali a quelle del dispositivo opto-elettronico 110 di figura 12, modificando solamente le maschere di impianto.
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, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni. In particolare, ? possibile realizzare un dispositivo opto-elettronico avente regioni a drogaggio incrementato 190, come descritto con riferimento alla figura 13, senza tutta via realizzare la colonna 180. Ad esempio, le regioni a drogaggio incrementato 190 possono essere previste anche nel dispositivo opto-elettronico 100 di figura 11. Inoltre, il dispositivo opto-elettronico di figura 5 pu? essere dotato di regioni di contatto inferiori 175, come mostrato in figura 11.
La regione a colonna 180 pu? essere realizzata anche nei dispositivi opto-elettronici 90 delle figure 5-10, prevendendo un apposito scavo.
Inoltre, i tipi di conducibilit? P-N possono essere scambiati rispetto a quanto descritto; quindi il primo tipo di conducibilit? pu? essere P e il secondo tipo di conducibilit? pu? essere N.

Claims (17)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo opto-elettronico di materiale semiconduttore comprendente:
uno strato semiconduttore (42; 142) di un primo tipo di conducibilit?, lo strato semiconduttore avendo uno spessore in una prima direzione (Z); e
almeno una regione profonda (48; 61; 63; 148) di un secondo tipo di conducibilit? estendentesi nello strato semiconduttore e formando una giunzione PN (49; 149) con lo strato semiconduttore,
in cui la regione profonda (48; 61; 63; 148) ha una profondit? lungo la prima direzione (Z) e una larghezza in una seconda direzione (X) perpendicolare alla prima direzione, la profondit? essendo maggiore della larghezza, la regione profonda comprendendo una porzione di fondo (48C; 166.1), una porzione intermedia (48B; 166.i) e una porzione superficiale (48A; 164);
e in cui lo strato semiconduttore (42; 142) include: una prima porzione di strato (45; 145) contigua alla porzione di fondo (48C; 166.1) della regione profonda ed avente una prima concentrazione di ioni droganti,
una seconda porzione di strato (47; 147) contigua alla porzione superficiale (48A; 164) della regione profonda e avente una seconda concentrazione di ioni droganti, e una terza porzione di strato (46; 146; 190), contigua alla porzione intermedia (48B; 166.i) della regione profonda e avente una terza concentrazione di ioni droganti,
in cui la terza concentrazione ? maggiore della prima e della seconda concentrazione.
2. Dispositivo opto-elettronico secondo la rivendicazione 1, in cui la regione profonda (48; 148) comprende una regione cilindrica piena, di silicio drogato scelto fra silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo avente concentrazione di ioni droganti sostanzialmente uniforme lungo la direzione di larghezza.
3. Dispositivo opto-elettronico secondo la rivendicazione 1, in cui la regione profonda comprende una regione cilindrica piena, di silicio drogato scelto fra silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo, la regione profonda comprendendo una porzione periferica (61) circondante una porzione centrale (62), in cui la porzione periferica (61) ha concentrazione di ioni droganti maggiore rispetto alla porzione centrale (62).
4. Dispositivo opto-elettronico secondo la rivendicazione 1, in cui la regione profonda comprende una regione cilindrica tubolare (63) circondante una regione dielettrica (64).
5. Dispositivo opto-elettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato semiconduttore (42; 142) comprende uno strato inferiore (45; 145), formante la prima porzione di strato; uno strato superficiale (47; 147), formante la seconda porzione di strato; e uno strato intermedio (46; 146), formante la terza porzione di strato, lo strato inferiore (45; 145) avendo la prima concentrazione di ioni droganti, lo strato superficiale (47; 147) avendo la seconda concentrazione di ioni droganti, e lo strato intermedio (46; 146) avendo la terza concentrazione di ioni droganti.
6. Dispositivo opto-elettronico secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui lo strato semiconduttore 142 comprende una porzione a concentrazione costante (165.0, 165.1, 165.n+1) formante la prima e la seconda porzione di strato e una quarta porzione di strato (165.2-165.n), la quarta porzione di strato circondando la terza porzione di strato (190).
7. Dispositivo opto-elettronico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato semiconduttore (42; 142) presenta una prima ed una seconda superficie (42A; 142A, 42B; 142B), la regione profonda si estende dalla prima superficie (42A; 142A) dello strato semiconduttore (42; 142) verso la seconda superficie (42B; 142B) dello strato semiconduttore, e il dispositivo optoelettronico (90; 100; 110; 120) comprende inoltre una regione di base (43; 143) adiacente alla seconda superficie dello strato semiconduttore, la regione di base avendo il primo tipo di conducibilit? e una quarta concentrazione di ioni droganti, maggiore della prima e della seconda concentrazione.
8. Dispositivo opto-elettronico secondo la rivendicazione precedente, comprendente inoltre una colonna (180) estendentesi per tutto lo spessore dello strato semiconduttore (142), fra la prima e la seconda superficie (142A, 142B), a distanza dalla regione profonda (148), in contatto elettrico diretto con la regione di base (143).
9. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo opto-elettronico di materiale semiconduttore, comprendente:
formare uno strato semiconduttore (42; 142) di un primo tipo di conducibilit?, lo strato semiconduttore avendo uno spessore in una prima direzione (Z); e
formare almeno una regione profonda (48; 61; 63; 148) di un secondo tipo di conducibilit? nello strato semiconduttore, la regione profonda formando una giunzione PN (49; 149) con lo strato semiconduttore e comprendendo una porzione di fondo (48C; (166.1), una porzione intermedia (48B; 166.i) e una porzione superficiale (48A; 164),
in cui la regione profonda ha una profondit? lungo la prima direzione (Z) e una larghezza in una seconda direzione (X) perpendicolare alla prima direzione, la profondit? essendo maggiore della larghezza;
e in cui lo strato semiconduttore presenta una prima porzione di strato (45; 145) contigua alla porzione di fondo (48C; 166.1) della regione profonda ed avente una prima concentrazione di ioni droganti, una seconda porzione di strato (47; 147) contigua alla porzione superficiale della regione profonda e avente una seconda concentrazione di ioni droganti ed una terza porzione di strato (46; 146; 190), contigua alla porzione intermedia (48B; 166.i) della regione profonda e avente una terza concentrazione di ioni droganti, in cui la terza concentrazione ? maggiore della prima e della seconda concentrazione.
10. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui formare uno strato semiconduttore (42) comprende: formare uno strato inferiore (45), comprendente la prima porzione di strato;
formare uno strato intermedio (46), comprendente la terza porzione di strato, al di sopra lo strato inferiore; e
formare uno strato superficiale (47), comprendente la seconda porzione di strato,
lo strato inferiore avendo la prima concentrazione di ioni droganti, lo strato superficiale avendo la seconda concentrazione di ioni droganti, e lo strato intermedio avendo la terza concentrazione di ioni droganti.
11. Procedimento secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui formare la regione profonda (48) comprende:
formare una trincea (60) estendentesi attraverso lo strato semiconduttore (42); e
riempire la trincea con silicio drogato (48) scelto fra silicio monocristallino, silicio policristallino e silicio amorfo avente concentrazione di ioni droganti sostanzialmente uniforme lungo la direzione di larghezza.
12. Procedimento secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui formare la regione profonda comprende:
formare una trincea (60) estendentesi attraverso lo strato semiconduttore (42), la trincea avendo una parete; introdurre specie ioniche droganti destinate a conferire il secondo tipo di conducibilit? nello strato semiconduttore (42) in prossimit? della parete della trincea;
riempire la trincea (60) con un materiale di riempimento (62; 64) scelto fra silicio policristallino, silicio amorfo e materiale dielettrico.
13. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui introdurre specie ioniche droganti comprende effettuare un impianto ad angolo delle specie ioniche droganti destinate a conferire il secondo tipo di conducibilit?.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 9 o 10, comprendente:
formare un primo sotto-strato epitassiale (165.1); introdurre selettivamente, nel primo strato epitassiale, specie ioniche droganti destinate a conferire il secondo tipo di conducibilit?, e formare una prima sottoregione profonda (166.1);
formare un successivo sotto-strato epitassiale (165.2) al di sopra del primo strato epitassiale;
introdurre selettivamente, nel successivo sotto-strato epitassiale e in modo allineato verticalmente alla prima sotto-regione profonda (166.1), specie ioniche droganti destinate a conferire il secondo tipo di conducibilit? e formare una successiva sotto-regione profonda (166.2) sovrapposta e contigua alla prima sotto-regione profonda; ripetere le fasi di formare un successivo sotto-strato epitassiale (165.2) e introdurre selettivamente.
15. Procedimento secondo la rivendicazione 14 quando dipendente dalla rivendicazione 9, in cui il primo sottostrato epitassiale (165.1) e i successivi sotto-strati epitassiali (165.2-165.n+1) hanno livello di drogaggio costante, il procedimento comprendendo inoltre formare una regione a drogaggio incrementato (190), del primo tipo di conducibilit?, circondante la regione profonda (148) e formante la una terza porzione di strato.
16. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui formare una regione a drogaggio incrementato (190) comprende introdurre specie ioniche droganti nel successivo sotto-strato epitassiale (165.2), in posizione adiacente alla successiva sotto-regione profonda (166.2), per formare una prima sotto-regione a drogaggio incrementato (192.2), e ripetere la fase di formare una regione a drogaggio incrementato sovrapposta e contigua alla prima sotto-regione a drogaggio incrementato.
17. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 9-16, in cui lo strato semiconduttore (142) presenta una prima ed una seconda superficie (142A, 142B), la regione profonda (148) si estende dalla prima superficie (142A) dello strato semiconduttore verso la seconda superficie (142B) dello strato semiconduttore,
il procedimento comprendendo inoltre:
formare una regione di base (143) adiacente alla seconda superficie dello strato semiconduttore, la regione di base avendo il primo tipo di conducibilit? e una quarta concentrazione di ioni droganti, maggiore della prima e della seconda concentrazione; e
formare una colonna (180) estendentesi per tutto lo spessore dello strato semiconduttore, fra la prima e la seconda superficie, a distanza dalla regione profonda, in contatto elettrico diretto con la regione di base.
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