ITTO20130398A1 - Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi - Google Patents

Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi

Info

Publication number
ITTO20130398A1
ITTO20130398A1 IT000398A ITTO20130398A ITTO20130398A1 IT TO20130398 A1 ITTO20130398 A1 IT TO20130398A1 IT 000398 A IT000398 A IT 000398A IT TO20130398 A ITTO20130398 A IT TO20130398A IT TO20130398 A1 ITTO20130398 A1 IT TO20130398A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
region
epitaxial layer
photodiode
substrate
cathode
Prior art date
Application number
IT000398A
Other languages
English (en)
Inventor
Massimo Cataldo Mazzillo
Anna Muscara
Original Assignee
St Microelectronics Srl
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by St Microelectronics Srl filed Critical St Microelectronics Srl
Priority to IT000398A priority Critical patent/ITTO20130398A1/it
Priority to US14/270,760 priority patent/US9299873B2/en
Publication of ITTO20130398A1 publication Critical patent/ITTO20130398A1/it
Priority to US15/045,384 priority patent/US9899557B2/en

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier or surface barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1443—Devices controlled by radiation with at least one potential jump or surface barrier
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L27/00—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate
    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H01L27/1446—Devices controlled by radiation in a repetitive configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
    • H01L31/02327—Optical elements or arrangements associated with the device the optical elements being integrated or being directly associated to the device, e.g. back reflectors

Description

DESCRIZIONE
“FOTODIODO A VALANGA OPERANTE IN MODALITA' GEIGER INCLUDENTE UNA STRUTTURA DI CONFINAMENTO ELETTRO-OTTICO PER LA RIDUZIONE DELL'INTERFERENZA, E SCHIERA DI FOTODIODIâ€
La presente invenzione à ̈ relativa ad un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger, il quale include una struttura di confinamento elettro-ottico atta a limitare l’interferenza. Inoltre, la presente invenzione à ̈ relativa ad una schiera di fotodiodi.
Nel campo tecnico della rilevazione di fotoni, sono noti i cosiddetti fotodiodi a valanga operanti in modalità Geiger (“Geiger-mode avalanche photodiode†, GMAP), i quali consentono di rilevare singoli fotoni.
Un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger, anche noto come diodo a valanga a singolo fotone (“Single Photon Avalanche Diode†, SPAD), à ̈ formato da un fotodiodo a valanga APD, dunque comprende una giunzione di materiale semiconduttore, la quale presenta una tensione di rottura (“breakdown†) VBed à ̈ polarizzata, in uso, con una tensione di polarizzazione inversa VAsuperiore in modulo alla tensione di rottura VB, la quale, come à ̈ noto, dipende dal materiale semiconduttore e dal livello di drogaggio della regione meno drogata della giunzione stessa. In tal modo, la giunzione presenta una regione svuotata particolarmente estesa, al cui interno à ̈ presente un campo elettrico non trascurabile. Perciò, la generazione di una singola coppia elettrone-lacuna (“electron-hole pair†), causata dall’assorbimento all’interno della regione svuotata di un fotone incidente sul fotodiodo SPAD, può essere sufficiente per innescare un processo di ionizzazione. Tale processo di ionizzazione causa a sua volta una moltiplicazione a valanga dei portatori, con guadagni nell’intorno di 10<6>, e la conseguente generazione in tempi rapidi (centinaia di picosecondi) della cosiddetta corrente di valanga, o più precisamente di un impulso della corrente di valanga.
La corrente di valanga può essere raccolta, tipicamente mediante una circuiteria esterna collegata alla giunzione, ad esempio mediante opportuni elettrodi di anodo e di catodo, e rappresenta un segnale di uscita del fotodiodo SPAD, al quale ci si riferisce anche come alla corrente di uscita. In pratica, per ogni fotone assorbito, si genera un impulso della corrente di uscita del fotodiodo SPAD.
Il fatto che la tensione di polarizzazione inversa VAsia apprezzabilmente superiore alla tensione di rottura VBfa sì che il processo di ionizzazione a valanga, una volta innescato, si autosostenga. Pertanto, una volta innescato, il fotodiodo SPAD non à ̈ più in grado di rilevare fotoni, con la conseguenza che, in assenza di opportuni rimedi, il fotodiodo SPAD riesce a rilevare l’arrivo di un primo fotone, ma non l’arrivo di fotoni successivi.
Per poter rilevare anche i fotoni successivi, à ̈ necessario spegnere la corrente di valanga generata all’interno del fotodiodo SPAD, arrestando il processo di ionizzazione a valanga, ed in particolare abbassando, per un periodo di tempo noto come tempo di hold-off, la tensione effettiva Veai capi della giunzione, in modo da inibire il processo di ionizzazione. A tal fine, à ̈ noto l’impiego di cosiddetti circuiti di soppressione (“quenching circuits†), siano essi di tipo attivo o passivo. Successivamente, viene ripristinata la tensione di polarizzazione inversa VA, al fine di consentire la rilevazione di un successivo fotone.
Ciò detto, il tempo (“timing†) di risposta del fotodiodo SPAD, cioà ̈ il tempo richiesto per generare un impulso di corrente di uscita in seguito all’assorbimento di un fotone, à ̈ influenzato principalmente da quattro fattori: il tempo di raccolta dei portatori all’interno della regione svuotata, tipicamente dell’ordine di pochi picosecondi per micrometro di regione svuotata; il tempo di propagazione della valanga, cioà ̈ il tempo richiesto affinché tutta la giunzione sia portata in breakdown, tipicamente dell’ordine di poche decine di picosecondi; il tempo di diffusione dei portatori generati nella regione non svuotata della giunzione attraverso la stessa regione non svuotata, tipicamente compreso tra le poche decine di picosecondi e qualche nanosecondo; ed il tempo di deriva propriamente detto, per la raccolta dei portatori agli elettrodi.
A proposito del tempo di diffusione dei portatori attraverso la regione non svuotata, occorre notare che alla generazione della corrente di uscita possono concorrere non solo entrambi i portatori di ciascuna coppia elettronelacuna generatasi in seguito all’assorbimento di un fotone all’interno della regione svuotata. Infatti, stante la polarizzazione inversa della giunzione, concorrono alla generazione della corrente di uscita anche i portatori minoritari delle coppie elettrone-lacuna generatesi in seguito all’assorbimento di un fotone al di fuori della regione svuotata, dunque in una regione non svuotata, cioà ̈ quasi neutra.
Ad esempio, assumendo una giunzione di tipo PN con la regione P disposta, rispetto alla direzione di propagazione dei fotoni, a monte della regione N, possono contribuire alla corrente di uscita sia gli elettroni delle coppie elettrone–lacuna generate nella porzione quasi neutra della regione P della giunzione (anche nota come strato morto, “dead layer†), sia le lacune delle coppie elettrone-lacuna generate nella porzione quasi neutra della regione N della giunzione (generalmente nota come “epilayer†). L’insieme delle porzioni del fotodiodo SPAD in cui può avvenire la generazione di portatori in seguito all’assorbimento di fotoni à ̈ nota in genere come area attiva.
In pratica, nella presente descrizione ci si riferisce ai portatori “minoritari†per indicare portatori che sono minoritari nel punto in cui vengono generati, in seguito all’assorbimento di un fotone. Ad esempio, assumendo ancora una regione di tipo P, un elettrone di una coppia elettrone-lacuna generata in seguito all’assorbimento di un fotone in tale regione P à ̈ un portatore minoritario, mentre la corrispondente lacuna à ̈ un portatore maggioritario. Analogamente, assumendo una regione di tipo N, una lacuna di una coppia elettrone-lacuna generata in seguito all’assorbimento di un fotone in tale regione N à ̈ un portatore minoritario, mentre il corrispondente elettrone à ̈ un portatore maggioritario.
Ciò premesso, i summenzionati portatori minoritari possono causare la generazione di corrispondenti impulsi di corrente di uscita, qualora riescano a diffondere fino a raggiungere la regione svuotata, senza prima ricombinarsi. Tuttavia, sebbene possano contribuire anch’essi alla rilevazione di fotoni, i portatori minoritari delle coppie elettrone-lacuna generatesi al di fuori della regione svuotata necessitano, per poter raggiungere la regione svuotata, di tempi di diffusione variabili (a seconda del punto di generazione e del livello di drogaggio) tra le poche decine di picosecondi e qualche nanosecondo, dunque i portatori generati negli eventi di valanga da essi innescati possono essere raccolti agli elettrodi di anodo e di catodo con notevoli ritardi. Conseguentemente, si verifica un deterioramento del tempo di risposta del fotodiodo SPAD; in particolare, si verifica la generazione, nella corrente di uscita, delle cosiddette code di diffusione (“diffusion tail†).
Analoghe considerazioni possono essere fatte relativamente ad una cosiddetta schiera di fotodiodi SPAD, ed in particolare ad un cosiddetto fotomoltiplicatore di silicio (“Silicon PhotoMultiplier†, SiPM).
In dettaglio, un fotomoltiplicatore SiPM Ã ̈ formato da una matrice di fotodiodi SPAD cresciuti su un medesimo substrato e provvisti di rispettivi resistori di soppressione (ad esempio, di tipo verticale) integrati nei fotodiodi SPAD stessi, tali resistori di soppressione essendo tra loro disaccoppiati ed indipendenti. Inoltre, gli elettrodi di anodo e di catodo di tutti i fotodiodi SPAD sono configurati in modo da poter essere connessi ad un unico generatore di tensione. In altre parole, gli elettrodi di anodo di tutti i fotodiodi SPAD sono multiplati tra loro; analogamente, gli elettrodi di catodo di tutti i fotodiodi SPAD sono multiplati tra loro. Pertanto, i fotodiodi SPAD del fotomoltiplicatore SiPM possono essere polarizzati ad una medesima tensione di polarizzazione inversa VA; inoltre, le correnti di valanga generate al loro interno sono multiplate insieme, in modo da generare un segnale di uscita del fotomoltiplicatore SiPM pari alla sommatoria dei segnali di uscita dei fotodiodi SPAD.
In pratica, il fotomoltiplicatore SiPM à ̈ un dispositivo a larga area e alto guadagno, capace di fornire, in media, un segnale elettrico di uscita (corrente) proporzionale al numero di fotoni che incidono sul SiPM; tuttavia i fotomoltiplicatori SiPM presentano i medesimi inconvenienti dei fotodiodi SPAD che li formano. Inoltre, il fotomoltiplicatore SiPM, come peraltro anche una generica schiera di fotodiodi SPAD formata da una matrice di fotodiodi SPAD cresciuti su un medesimo substrato, ed i cui elettrodi di anodo e di catodo non sono rispettivamente multiplati tra loro, à ̈ affetto dal fenomeno dell’interferenza (“crosstalk†).
In dettaglio, dato un qualsiasi fotodiodo SPAD, il relativo funzionamento risulta inevitabilmente influenzato da portatori di carica generati in fotodiodi SPAD circostanti e da fotoni generati per elettroluminescenza durante processi di moltiplicazione a valanga innescati in fotodiodi SPAD circostanti.
In maggior dettaglio, à ̈ noto che fotodiodi SPAD operanti al di sopra della tensione di breakdown emettono fotoni secondari per effetto di elettroluminescenza, a causa di differenti meccanismi, quali ad esempio la ricombinazione intrabanda. I fotoni secondari sono emessi generalmente all’interno di un intervallo di lunghezze d’onda compreso tra 400nm e 2µm, con probabilità di emissione che dipende dalla tensione di polarizzazione inversa VAapplicata.
I fotoni secondari possono propagarsi ed essere successivamente assorbiti nelle regioni svuotate delle giunzioni di fotodiodi SPAD differenti dai fotodiodi SPAD in cui sono stati generati, innescando eventi di valanga, nel qual caso essi danno vita al cosiddetto fenomeno del crosstalk istantaneo (“prompt crosstalk†), il quale si manifesta su scale temporali dell’ordine di poche decine di picosecondi.
E’ altresì possibile che i fotoni secondari vengano assorbiti all’interno di regioni quasi neutre di fotodiodi SPAD differenti dai fotodiodi SPAD in cui sono stati generati, innescando eventi di valanga in tali fotodiodi, nel qual caso essi danno vita al cosiddetto fenomeno del crosstalk ritardato (“delayed crosstalk†), il quale si manifesta su scale temporali dell’ordine di qualche nanosecondo. La differente scala temporale rispetto al crosstalk istantaneo si spiega con il fatto che, dato un fotone secondario emesso in un primo fotodiodo SPAD, l’assorbimento di tale fotone secondario all’interno della regione quasi neutra di un secondo fotodiodo SPAD comporta la generazione di una coppia di portatori, uno dei quali può effettivamente innescare un processo di valanga nel secondo fotodiodo SPAD, ma solo dopo aver raggiunto la regione svuotata del secondo fotodiodo SPAD.
In particolare, i fotoni secondari che maggiormente concorrono al fenomeno del crosstalk ritardato sono quelli con lunghezze d’onda comprese tra 700nm e 1100nm, dal momento che in tale intervallo di lunghezze d’onda il coefficiente di assorbimento del silicio à ̈ particolarmente basso, dunque tali fotoni secondari possono percorrere distanze elevate prima di essere assorbiti.
Al fenomeno del crosstalk ritardato concorrono altresì i portatori di carica che, dopo essere stati generati all’interno delle regioni quasi neutre di fotodiodi SPAD, diffondono fino raggiungere le regioni svuotate di fotodiodi SPAD differenti rispetto ai fotodiodi SPAD in cui sono stati generati. Peraltro, tali portatori possono altresì raggiungere le regioni svuotate dei medesimi fotodiodi SPAD in cui sono stati generati, nel qual caso essi danno origine al cosiddetto fenomeno dell’ “afterpulsing†.
In pratica, il crosstalk causa accoppiamenti elettroottici tra i fotodiodi SPAD del fotomoltiplicatore SiPM. Pertanto, il crosstalk accresce la rumorosità complessiva del fotomoltiplicatore SiPM, specialmente nel caso in cui il fotomoltiplicatore SiPM abbia grandi dimensioni e sia soggetto ad una tensione di polarizzazione inversa VAelevata. Come conseguenza, la sensibilità del fotomoltiplicatore SiPM risulta limitata; inoltre, la probabilità di saturare il fotomoltiplicatore SiPM aumenta, dal momento che un certo numero di fotodiodi SPAD risulta acceso per crosstalk, anche in assenza di flusso luminoso esterno.
Al fine di limitare il crosstalk, ed in particolare al fine di limitare il crosstalk istantaneo, à ̈ nota la tecnica di formare, all’interno di ciascun fotodiodo SPAD, una trincea riempita di materiale metallico, la quale delimita l’area attiva, come descritto ad esempio in US2009/0184384.
Come descritto in EP1755171, à ̈ altresì nota la tecnica di formare scanalature di forma sostanzialmente triangolare attorno all’area attiva di ciascun fotodiodo SPAD, tali scanalature essendo rivestiste di materiale metallico. Dato un fotodiodo SPAD, le scanalature che lo circondano assorbono eventuali fotoni secondari emessi dal dato fotodiodo SPAD con direzioni all’incirca parallele alla superficie del dato fotodiodo SPAD esposta al flusso luminoso. In tal modo, si ottiene una riduzione del crosstalk istantaneo.
Inoltre, dato un fotodiodo SPAD, e considerata la regione quasi neutra della porzione inferiore della giunzione di tale fotodiodo SPAD, à ̈ nota la tecnica di formare una giunzione addizionale all’interno del fotodiodo SPAD, disposta al di sotto della giunzione principale e polarizzata inversamente, al fine di impedire ai portatori minoritari che si generano in tale regione quasi neutra di raggiungere le giunzioni di fotodiodi SPAD circostanti, con conseguente riduzione del crosstalk ritardato. Un esempio di tale tecnica à ̈ descritto in US2011/0241149. Tale tecnica prevede quindi di predisporre, per ciascun fotodiodo SPAD, tre terminali elettrici, al fine polarizzare correttamente la giunzione principale e la sottostante giunzione addizionale. Ciò comporta un incremento della complessità ed una riduzione del cosiddetto fattore di riempimento (“fill factor†) del fotomoltiplicatore SiPM, dal momento che parte della superficie esposta al flusso luminoso viene ricoperta da due strati metallici.
Per quanto riguarda in particolare la riduzione del crosstalk ritardato, sono altresì noti fotomoltiplicatori del tipo descritto in WO2011/132025. In dettaglio, secondo WO2011/132025, ciascun fotodiodo comprende uno strato di silicio amorfo, il quale à ̈ disposto al di sotto della rispettiva giunzione ed à ̈ stato creato mediante bombardamento ionico del silicio epitassiale. In tal modo, ciascun fotodiodo comprende una regione ad alta efficienza di assorbimento di fotoni aventi lunghezze d’onda nell’infrarosso. Tuttavia, la creazione dello strato amorfo mediante bombardamento può causare un incremento della difettosità all’interno dell’area attiva.
In aggiunta, come descritto in WO2012/083983, sono note tecniche di trattamento del substrato che consentono di ridurre il numero di fotoni che sono riflessi sulla superficie inferiore di ciascun fotodiodo SPAD, con conseguente riduzione del crosstalk ritardato. Anche in tal caso, tuttavia, l’area attiva può presentare una certa difettosità; inoltre, il contributo al crosstalk ritardato fornito da portatori generati per assorbimento dei fotoni, prima del raggiungimento delle superfici inferiori dei fotodiodi SPAD da parte di questi ultimi, non viene mitigato.
Scopo della presente invenzione à ̈ dunque fornire un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger che consenta di risolvere almeno in parte gli inconvenienti dell’arte nota.
Secondo l'invenzione, vengono realizzati un fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger ed una schiera di fotodiodi come definiti, rispettivamente, nelle rivendicazioni 1 e 13.
Per una migliore comprensione dell’invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- le figure 1 e 4 mostrano sezioni trasversali di forme di realizzazione del presente fotodiodo;
- la figura 2 mostra in forma schematica una vista di una schiera di fotodiodi durante l’uso;
- le figure 3 e 5 mostrano schematicamente diagrammi a bande relativi a porzioni delle forme di realizzazione mostrate rispettivamente nelle figure 1 e 4;
- la figura 6 mostra uno schema a blocchi di un sistema che utilizza la schiera di fotodiodi mostrata in figura 2.
La figura 1 mostra una forma di realizzazione di un fotodiodo 1 del tipo a valanga ed operante in modalità Geiger. Il fotodiodo 1 può appartenere, ad esempio, ad una schiera 220 di fotodiodi 1, come illustrato in figura 2, dove à ̈ mostrata anche una sorgente luminosa 200. La schiera 220 può comprendere un qualsiasi numero di fotodiodi 1, a seconda delle necessità.
Ritornando alla figura 1, il fotodiodo 1 à ̈ integrato in una piastrina (″die″) 100 che include un substrato 2 di materiale semiconduttore, di tipo N++ ed avente una superficie inferiore Sinf. Inoltre, il fotodiodo 1 include un primo, un secondo ed un terzo strato epitassiale 4, 6, 8. In figura 1, come peraltro anche nella successiva figura 3, gli spessori del substrato 2 e del primo, del secondo e del terzo strato epitassiale 4, 6, 8 non sono in scala.
Il substrato 2 Ã ̈ di tipo N++, ha spessore compreso ad esempio tra 300µm e 500µm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<19>cm<-3>e 5*10<20>cm<-3>.
Il primo strato epitassiale 4 Ã ̈ di tipo N--, ha uno spessore compreso ad esempio tra 5µm e 10µm e sovrasta, in contatto diretto, il substrato 2. Inoltre, il primo strato epitassiale 4 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<14>cm<-3>e 5*10<14>cm<-3>.
Il secondo strato epitassiale 6 à ̈ di tipo N+, ha uno spessore compreso ad esempio tra 2µm e 5µm e sovrasta il primo strato epitassiale 4, con cui à ̈ in contatto diretto. Inoltre, il secondo strato epitassiale 6 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<18>cm<-3>e 5*10<19>cm<-3>.
Il terzo strato epitassiale 8 Ã ̈ di tipo N-, ha uno spessore compreso ad esempio tra 2µm e 5µm e sovrasta, in contatto diretto, il secondo strato epitassiale 6. Inoltre, il terzo strato epitassiale 8 forma una superficie superiore Ssup. Il livello di drogaggio del terzo strato epitassiale 8 Ã ̈ compreso, ad esempio, tra 5*10<15>cm<-3>e 1*10<16>cm<-3>.
Il substrato 2 ed il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 4, 6, 8 formano un corpo 10 di materiale semiconduttore, delimitato dalla superficie superiore Ssupe dalla superficie inferiore Sinf; nel seguito si assume, senza alcuna perdita di generalità, che il corpo semiconduttore 10 sia formato da silicio. Inoltre, il primo strato epitassiale 4 si estende all’interno del corpo 10 con una profondità non inferiore a hmine non superiore a hmax, tale profondità essendo misurata a partire dalla superficie superiore Ssup.
Una regione di anodo 12, di tipo P+ e di forma circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare), si affaccia alla superficie superiore Ssupe si estende all'interno del terzo strato epitassiale 8. In particolare, la regione di anodo 12 ha uno spessore compreso ad esempio tra 0.1µm e 0.5µm; inoltre, la regione di anodo 12 ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<19>cm<-3>e 1*10<20>cm<-3>.
Una regione arricchita 14, di tipo N, si estende nel terzo strato epitassiale 8, al di sotto della, ed in contatto diretto con, la regione di anodo 12. In vista dall’alto, la regione arricchita 14 presenta una forma circolare o poligonale (ad esempio, quadrangolare); inoltre, la regione arricchita 14 ha uno spessore pari, ad esempio, ad 1µm e livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<16>cm<-3>e 5*10<16>cm<-3>.
Ai fini pratici, la regione di anodo 12 e la regione arricchita 14 formano una prima giunzione PN, destinata a ricevere fotoni e a generare la corrente di valanga, come descritto in dettaglio in seguito. In altre parole, la regione di anodo 12 e la regione arricchita 14 sono a contatto tra loro lungo una superficie di interfaccia I.
La regione arricchita 14 ed il terzo strato epitassiale 8 hanno invece lo scopo di confinare un elevato campo elettrico in prossimità della prima giunzione PN, riducendo la tensione di breakdown VBdella giunzione stessa.
Un anello di guardia 16 di forma circolare, di tipo P-e con un livello di drogaggio compreso tra 1*10<16>cm<-3>e 3*10<16>cm<-3>, si estende nel terzo strato epitassiale 8; in particolare, l’anello di guardia 16 à ̈ affacciato alla superficie superiore Ssuped à ̈ disposto all’esterno della regione di anodo 12, con cui à ̈ in contatto diretto.
Inoltre, l’anello di guardia 16 ha uno spessore compreso, ad esempio, tra 1µm e 3µm.
L’anello di guardia 16 forma una seconda giunzione PN con il terzo strato epitassiale 8, in modo da prevenire il breakdown di bordo (“edge breakdown†) della regione di anodo 12. Inoltre, l’anello di guardia 16 à ̈ in contatto elettrico diretto con una metallizzazione di anodo 18, mediante la quale à ̈ possibile polarizzare la prima giunzione PN; in particolare, à ̈ possibile applicare alla metallizzazione di anodo 18 una tensione di polarizzazione inversa VAsuperiore, in modulo, alla tensione di breakdown VBdella prima giunzione PN.
In pratica, i tipi della regione di anodo 12 e dell’anello di guardia 16, e dunque i corrispondenti livelli di drogaggio, sono tali per cui la regione di svuotamento che à ̈ presente a cavallo dell’interfaccia tra regioni di tipo P (regione di anodo 12 ed anello di guardia 16) e regioni di tipo N (regione arricchita 14 e terzo strato epitassiale 8) si estende principalmente nell’anello di guardia 16, piuttosto che nella regione di anodo 12, evitando che all’interfaccia tra la regione di anodo 12 (semiconduttore) e gli strati di ossido presenti sopra la regione di anodo 12 (descritti in seguito) possa localizzarsi un elevato campo elettrico, riducendo la corrente di buio del fotodiodo 1. Infatti, tale interfaccia à ̈ ricca di centri di Shockley-Read-Hall (SRH), dunque à ̈ opportuno limitare i campi elettrici in sua prossimità, pena un incremento indesiderato della corrente di buio del fotodiodo 1.
Il fotodiodo 1 comprende inoltre una regione di isolamento laterale 24, la quale à ̈ disposta all’esterno dell’anello di guardia 16 e si estende, a partire dalla superficie superiore Ssup, all’interno del corpo semiconduttore 10.
La regione di isolamento laterale 24 ha forma, in vista dall’alto, circolare o poligonale. Inoltre, la regione di isolamento laterale 24 circonda lateralmente l’area attiva A.
In dettaglio, la regione di isolamento laterale 24 comprende una regione di channel stopper 27 disposta più esternamente, formata di materiale dielettrico (ad esempio, ossido) e disposta in contatto diretto con il corpo semiconduttore 10, nonché una regione di barriera 28, formata di polisilicio, la quale à ̈ circondata dalla regione di channel stopper 27, con cui à ̈ in contatto diretto. Inoltre, la regione di barriera 28 à ̈ in contatto diretto con uno strato dielettrico descritto in dettaglio in seguito e menzionato come quarto strato dielettrico 40.
In maggior dettaglio, il polisilicio che forma la regione di barriera 28 può avere un drogaggio sia di tipo N che di tipo P ed ha un livello di drogaggio ad esempio compreso tra 1*10<19>cm<-3>e 5*10<20>cm<-3>. Inoltre, per lunghezze d’onda comprese tra 700nm e 1100nm, il polisilicio della regione di barriera 28 ha un coefficiente di assorbimento pari a circa 5*10<4>cm<-1>.
Ciò premesso, la regione di barriera 28 si estende, a partire dalla superficie superiore Ssup, con uno spessore almeno pari alla summenzionata profondità hmax. Pertanto, la regione di isolamento laterale 24, oltre ad attraversare il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 4, 6 8, si estende almeno in parte nel substrato 2. L’area attiva A à ̈ quindi formata da porzioni della regione di anodo 12, della regione arricchita 14 e del primo, del secondo e del terzo strato epitassiale 4, 6, 8.
In aggiunta, la regione di barriera 28 ha una larghezza, misurata lungo una qualsiasi direzione parallela alla superficie superiore Ssup, almeno pari a 1µm, in maniera tale per cui la regione di barriera 28 à ̈ in grado di assorbire almeno il 99% dei fotoni che hanno lunghezze d’onda comprese tra 700nm e 1100nm e che si propagano nel primo strato epitassiale 4 con direzioni parallele alla superficie superiore Ssup, fino ad incidere sulla stessa regione di barriera 28.
Al di sopra di una porzione periferica della superficie superiore Ssup, lateralmente sfalsata rispetto alla regione di anodo 12, à ̈ presente un primo strato dielettrico 30, formato ad esempio di ossido termico. Il primo strato dielettrico 30 si estende parzialmente al di sopra dell’anello di guardia 16.
Un secondo strato dielettrico 32, formato ad esempio di ossido TEOS, si estende al di sopra del primo strato dielettrico 30, con cui à ̈ in contatto diretto, nonché al di sopra della regione di anodo 12, con cui à ̈ in contatto diretto. Il secondo strato dielettrico 32 si estende in parte anche al di sopra di una porzione dell’anello di guardia 16, con cui à ̈ in contatto diretto.
Uno strato di rivestimento 34, formato ad esempio di nitruro, si estende sopra il secondo strato dielettrico 32 e realizza, insieme a questo, un doppio rivestimento antiriflessione 36 (“Double Anti Reflection Coating†, DLARC).
Modulando opportunamente, in modo di per sé noto, lo spessore del secondo strato dielettrico 32 e dello strato di rivestimento 34, à ̈ possibile ottimizzare il rivestimento anti-riflessione 36, in modo che esso sia trasparente solo per uno specifico intervallo di lunghezza d’onda, e riflettente per le lunghezze d’onda al di fuori di tale intervallo. È così possibile fare in modo che il fotodiodo 1 sia sensibile solo ad alcune frequenze dello spettro luminoso.
Un terzo strato dielettrico 38, formato ad esempio di ossido TEOS e formante uno strato unico con la regione di channel stopper 27, si estende al di sopra dello strato di rivestimento 34, con cui à ̈ in contatto diretto, senza però sovrastare una porzione centrale della regione di anodo 12. In altre parole, il terzo strato dielettrico 38 à ̈ lateralmente sfalsato rispetto alla regione di anodo 12 ed alla sottostante regione arricchita 14.
Il già citato quarto strato dielettrico 40, il quale à ̈ formato ad esempio di ossido TEOS, si estende al di sopra del terzo strato dielettrico 38, con cui à ̈ in contatto diretto. Inoltre, il quarto strato dielettrico 40 si estende fino a chiudere superiormente la regione di isolamento laterale 24; in particolare, il quarto strato dielettrico 40 si estende fino a contattare la regione di barriera 28.
In pratica, la metallizzazione di anodo 18 attraversa il secondo, il terzo ed il quarto strato dielettrico 32, 38, 40, in modo da contattare, come precedentemente accennato, l’anello di guardia 16.
Una metallizzazione di catodo 42, formata di materiale metallico, si estende sotto la superficie inferiore Sinfdel substrato 2, con cui à ̈ a contatto diretto. In tal modo, data la disposizione della metallizzazione di anodo 18, la corrente di valanga scorre lungo la direzione di un asse H, perpendicolare alla superficie inferiore Sinfed alla superficie superiore Ssup.
Ai fini pratici, la regione arricchita 14, il substrato 2 ed il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 4, 6, 8 formano una regione di catodo. Inoltre, all’interno del substrato 2, la caduta di potenziale dovuta al passaggio della corrente di valanga à ̈ trascurabile, a causa della bassa resistività del substrato 2. Pertanto, all'interno della regione di catodo, il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 4, 6, 8 formano un resistore di soppressione integrato, verticale ed elettricamente connesso fra la regione di anodo 12 ed il substrato 2, ed in grado di spegnere la corrente di valanga generata in seguito all’assorbimento di un fotone.
Per quanto concerne, invece, la regione di isolamento laterale 24, essa consente, mediante la regione di barriera 28, di isolare otticamente i fotodiodi 1 della schiera 220.
In particolare, la regione di barriera 28 della regione di isolamento laterale 24 consente di ridurre il crosstalk istantaneo; inoltre, l’ossido presente nel channel stopper 27 garantisce l’isolamento elettrico tra i fotodiodi 1 della schiera 220, rendendo indipendenti tra loro i resistori di soppressione.
Si noti inoltre che, dal momento che la regione di isolamento laterale 24 si estende fino al substrato 2, e data la bassa resistività del substrato 2, l’accensione di un fotodiodo 1 non altera, in prima approssimazione, la polarizzazione dei fotodiodi 1 adiacenti. Pertanto, la schiera 220 di fotodiodi 1 forma un fotomoltiplicatore a semiconduttore SiPM, in cui i fotodiodi 1 lavorano sostanzialmente in medesime condizioni operative. A tal proposito, sebbene non mostrato, le metallizzazioni di anodo e di catodo dei fotodiodi 1 della schiera 220 sono configurate in modo da poter essere connesse tutte ad un unico generatore di tensione, il quale eroga la tensione di polarizzazione inversa VA.
In maggior dettaglio, grazie alla struttura del corpo semiconduttore 10 ed alle caratteristiche della regione di barriera 28, il crosstalk ritardato à ̈ particolarmente limitato, per i motivi descritti qui di seguito, con riferimento alla figura 3.
In particolare, la figura 3 mostra il diagramma a bande del corpo semiconduttore 10, quando il fotodiodo 1 à ̈ sottoposto alla tensione di polarizzazione inversa VA, la quale si localizza ai capi della summenzionata prima giunzione PN. Si assume inoltre che la regione di catodo, e cioà ̈ il substrato 2 ed il primo, il secondo ed il terzo strato epitassiale 4, 6, 8, sia in equilibrio termico; si assume quindi che, all’interno della regione di catodo, il livello di Fermi sia costante. Inoltre, per motivi di semplicità di visualizzazione, si assume che la regione arricchita 14 sia assente, e quindi che la regione di anodo 12 formi la prima giunzione PN (la cui regione svuotata à ̈ indicata con DR) con il terzo strato epitassiale 8.
In tali condizioni, all’interno della regione svuotata DR della prima giunzione PN, si verifica l’emissione per elettroluminescenza di fotoni nell’infrarosso, in modo sostanzialmente isotropo. Riferendosi a tali fotoni nell’infrarosso come ai fotoni secondari, la maggior parte di essi vieni assorbita all’interno del substrato 2 e nel primo strato epitassiale 4. In ogni caso, stante la polarizzazione inversa cui à ̈ sottoposta la prima giunzione PN, gli unici portatori che, dopo essere stati generati all’interno della regione di catodo per assorbimento di fotoni secondari, possono concorrere ad innescare eventi di valanga sono le lacune.
Ciò premesso, i livelli di drogaggio del substrato 2 e del primo e del secondo strato epitassiale 4, 6 sono tali per cui all’interno del primo strato epitassiale 4 si forma una buca di potenziale, cioà ̈ una regione di confinamento elettrico, per le lacune. Pertanto, lacune generate all’interno della regione di catodo tendono a fluire verso la buca di potenziale, laddove rimangono intrappolate e termalizzano, cioà ̈ evolvono verso livelli energetici più elevati, senza innescare eventi di valanga spuri in fotodiodi adiacenti al fotodiodo 1, né all’interno dello stesso fotodiodo 1. Inoltre, gli elevati livelli di drogaggio del substrato 2 e del secondo strato epitassiale 6 consentono di ridurre il tempo medio di vita delle lacune, a causa dell’elevato fattore di ricombinazione, riducendo ulteriormente la probabilità di innesco di eventi di valanga spuri.
In aggiunta, il substrato 2 ed il primo ed il secondo strato epitassiale 4, 6 formano una guida ottica 50 di tipo piano (“slab waveguide†), atta a confinare radiazione elettromagnetica all’interno del primo strato epitassiale 4. Infatti, à ̈ noto che, all’aumentare del livello di drogaggio, l’indice di rifrazione del silicio diminuisce. Pertanto, il primo strato epitassiale 4 forma una sorta di nucleo (“core†) ad alto indice di rifrazione, circondato superiormente ed inferiormente da due rivestimenti a basso indice di rifrazione, formati rispettivamente dal substrato 2 e dal secondo strato epitassiale 6. Inoltre, il nucleo à ̈ circondato lateralmente, per l’intero spessore, dalla regione di barriera 28, dalla quale à ̈ fisicamente separato dal solo channel stopper 27.
In pratica, la guida ottica 50 fa parte di un cammino ottico OP che si estende tra una prima ed un seconda porzione della regione di barriera 28 e di tipo sostanzialmente guidato, a meno di porzioni che si estendono all’interno del channel stopper 27. Inoltre, il nucleo della guida ottica 50, cioà ̈ il primo strato epitassiale 4, ha uno spessore, misurato parallelamente all’asse H, sostanzialmente costante, lungo una qualsiasi direzione parallela alla superficie inferiore Sinfed alla superficie superiore Ssup.
In uso, parte dei fotoni che sono generati all’interno del primo strato epitassiale 4 e parte dei fotoni che, pur provenendo da regioni esterne al primo strato epitassiale 4, penetrano all’interno del primo strato epitassiale 4, sono guidati dalla guida ottica 50 verso la regione di barriera 28, dove possono essere assorbiti, senza penetrare all’interno di fotodiodi circostanti. In particolare, il meccanismo di accoppiamento dei fotoni alla guida ottica 50 à ̈ di tipo di per sé noto ed à ̈ tale per cui, assumendo per semplicità che il substrato 2 ed il secondo strato epitassiale 6 abbiano medesimo indice di rifrazione, un fotone si propaga in modo guidato all’interno della guida ottica 50 se ha una direzione di propagazione tale per cui, nell’incidere su un rivestimento del nucleo, forma un angolo Î ̧ superiore al cosiddetto angolo critico Î ̧c. In tal caso, il fotone sperimenta il fenomeno della riflessione totale.
In pratica, parte dei fotoni secondari viene accoppiata alla guida ottica 50 e viene quindi assorbita dalla regione di barriera 28, senza causare la generazione di portatori che concorrono al crosstalk ritardato, con evidenti benefici in termini di riduzione di quest’ultimo fenomeno.
A proposito della regione di barriera 28, nella forma di realizzazione mostrata in figura 1, come peraltro anche nelle forme di realizzazione descritte in seguito, la regione di barriera 28 può essere formata, anziché da polisilicio, da qualsiasi materiale (ad esempio, il nitruro di titanio) atto ad assorbire i fotoni secondari emessi per elettroluminescenza, il coefficiente di assorbimento di tale materiale assorbente e la summenzionata larghezza della regione di barriera 28 essendo tali per cui almeno il 99% dei fotoni secondari aventi lunghezze d’onda comprese tra 700nm e 1100nm e direzioni di propagazione parallele alla superficie superiore Ssupviene assorbito.
E’ altresì possibile che la regione di barriera 28 sia formata da materiale metallico, come ad esempio tungsteno; in tal caso, i fotoni secondari vengono riflessi dalla regione di barriera 28, in modo sostanzialmente indipendente dalla larghezza della regione di barriera 28, la quale può quindi avere larghezza qualsiasi. Anche il tal caso, i fotoni secondari non penetrano all’interno di fotodiodi circostanti, bensì permangono all’interno della guida d’onda 50, fino a quando non vengono assorbiti; i portatori così generati comunque non concorrono all’afterpulsing, per i motivi precedentemente spiegati. Secondo una differente forma di realizzazione, mostrata in figura 4 e descritta con riferimento alle sole differenze rispetto alla forma di realizzazione mostrata in figura 1, il corpo semiconduttore 10 comprende un quarto ed un quinto strato epitassiale 52, 54, ciascuno dei quali à ̈ di tipo N, ha uno spessore compreso tra 2µm e 5µm ed ha un livello di drogaggio compreso, ad esempio, tra 1*10<15>cm<-3>e 1*10<16>cm<-3>.
In maggior dettaglio, il quarto strato epitassiale 52 Ã ̈ interposto tra il primo ed il secondo strato epitassiale 4, 6. Il quinto strato epitassiale 54 Ã ̈ interposto tra il substrato 2 ed il primo strato epitassiale 4.
In pratica, come mostrato in figura 5, in cui per semplicità di visualizzazione si assume che la regione arricchita 14 sia assente, il diagramma a bande del corpo semiconduttore 10 ha un andamento a gradini tale per cui il primo strato epitassiale 4 ed il quarto ed il quinto strato epitassiale 52, 54 formano una buca di potenziale per le lacune. Si forma quindi una regione ad elevato spessore, atta ad agevolare la termalizzazione delle lacune, nonché il confinamento dei fotoni. Inoltre, il quinto strato epitassiale 54 funge da strato buffer per l’adattamento dell’elevato livello di drogaggio del substrato 2 ed il basso livello di drogaggio del primo strato epitassiale 4.
Similmente, il quarto strato epitassiale 52 funge da strato buffer per l’adattamento dei livelli di drogaggio tra il primo ed il secondo strato epitassiale 4, 6.
Secondo ulteriori varianti, non illustrate, possono essere presenti ulteriori strati epitassiali, in maniera tale per cui tra il substrato 2 ed il primo strato epitassiale 4 à ̈ interposta una pluralità di strati intermedi inferiori, aventi livelli di drogaggio progressivamente inferiori in direzione del primo strato epitassiale 4; in tal caso, tra il primo ed il secondo strato epitassiale 4, 6 à ̈ presente una pluralità di strati intermedi superiori, aventi livelli di drogaggio progressivamente crescenti in direzione del secondo strato epitassiale 6. Ciascuno strato intermedio superiore corrisponde ad uno strato intermedio inferiore, in maniera tale da formare una corrispondente coppia; gli strati di ciascuna hanno ad esempio spessori e livelli di drogaggio sostanzialmente uguali e sono disposti specularmente tra loro rispetto al primo strato epitassiale 4.
La schiera 220 può essere utilizzata in un generico sistema di rilevazione 500 mostrato in figura 6, in cui la sorgente luminosa 200 illumina la schiera 220 ed à ̈ controllata da un’unità a microcontrollore 520, la quale à ̈ inoltre collegata alla schiera 220. L’unità a microcontrollore 520 polarizza i fotodiodi 1 della schiera 220, elabora il segnale di uscita della schiera 220 e fornisce un segnale elaborato ad un elaboratore 530, il quale consente di analizzare tale segnale elaborato e di visualizzare le informazioni associate a tale segnale elaborato su uno schermo 540.
I vantaggi che il presente fotodiodo consente di ottenere emergono chiaramente dalla discussione precedente. In particolare, il presente fotodiodo ha una struttura che può essere correttamente polarizzata mediante impiego di due soli terminali e consente di ridurre il fenomeno del crosstalk ritardato, grazie alla presenza di una struttura di confinamento elettro-ottico formata all’interno del corpo semiconduttore. La struttura di confinamento elettroottico à ̈ infatti in grado di impedire alle lacune ivi generate ed alle lacune che, pur non essendo generate all’interno di essa, vi pervengono, di giungere nella regione svuotata della soprastante giunzione PN. Inoltre, la struttura di accoppiamento elettro-ottico forma una guida d’onda capace di guidare fotoni secondari in direzione della regione di barriera 28, impedendo a questi ultimi di innescare eventi di valanga spuri all’interno di aree attive di fotodiodi circostanti.
Risulta infine evidente che al fotodiodo descritto possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall’ambito della presente invenzione.
Ad esempio, i tipi P ed N possono essere invertiti, nel qual caso si ottiene un confinamento degli elettroni, anziché delle lacune. Inoltre, la regione di anodo 12, anziché essere affacciata alla superficie superiore Ssup, può essere sovrastata da una regione superiore di tipo N; in tal caso, la regione di anodo 12 à ̈ formata ad esempio per impiantazione ionica e la prima giunzione PN si trova ad una profondità maggiore rispetto a quanto descritto in precedenza.

Claims (14)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Fotodiodo a valanga operante in modalità Geiger comprendente un corpo (10) di materiale semiconduttore avente una prima ed una seconda superficie (Ssup,Sinf), detto corpo includendo: - una regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54) di un primo tipo di conducibilità, formante la prima e la seconda superficie; e - una regione di anodo (12) di un secondo tipo di conducibilità, estendentesi all’interno della regione di catodo e contattante la regione di catodo lungo un’interfaccia (I); detto fotodiodo comprendendo inoltre una regione di isolamento laterale (24) estendentesi attraverso il corpo (10) a partire dalla prima superficie (Ssup) e circondante la regione di anodo (12) e almeno parte della regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54), detta regione di isolamento laterale (24) comprendendo una regione di barriera (28) ed una regione isolante (27), la quale circonda la regione di barriera (28); ed in cui la regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54) forma una guida ottica (50) di tipo planare, comprendente una regione di nucleo (4), la quale à ̈ interposta tra l’interfaccia (I) e la seconda superficie (Sinf), si estende tra una profondità minima (hmin) ed una profondità massima (hmax) ed à ̈ atta a guidare fotoni, la regione di barriera (28) estendendosi con uno spessore almeno pari a detta profondità massima, in modo da circondare lateralmente la regione di nucleo (4), la regione di barriera (28) essendo inoltre atta ad impedire la propagazione oltre la regione di barriera (28) di almeno parte dei fotoni provenienti, in uso, dalla regione di nucleo (4) ed incidenti sulla regione di barriera (28), la regione di nucleo (4) formando inoltre una regione di confinamento elettrico per portatori minoritari generati all’interno della regione di nucleo (4).
  2. 2. Fotodiodo secondo la rivendicazione 1, in cui la regione di barriera (28) Ã ̈ formata da materiale metallico.
  3. 3. Fotodiodo secondo la rivendicazione 1, in cui la regione di barriera (28) à ̈ formata da materiale otticamente assorbente ed à ̈ tale da assorbire, in uso, almeno il 99% dei fotoni provenienti dalla regione di nucleo (4), aventi lunghezze d’onda comprese tra 700mnm e 1100nm ed incidenti sulla regione di barriera (28) con direzioni di propagazione parallele alla seconda superficie (Sinf).
  4. 4. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione di nucleo (4) à ̈ delimitata lateralmente dalla regione isolante (27), con cui à ̈ a contatto diretto.
  5. 5. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione di nucleo (4) ha uno spessore sostanzialmente costante, lungo una qualsiasi direzione parallela alla seconda superficie (Sinf).
  6. 6. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54) forma una regione di rivestimento superiore (6;52) ed una regione di rivestimento inferiore (2;54) disposte a contatto con la regione di nucleo (4), la regione di rivestimento superiore (6;52) essendo interposta tra la regione di nucleo (4) e la prima superficie (Ssup), la regione di rivestimento inferiore (2;54) essendo interposta tra la regione di nucleo (4) e la seconda superficie (Sinf), la regione di nucleo (4) avendo indice di rifrazione superiore agli indici di rifrazione della regione di rivestimento superiore (6;52) e della regione di rivestimento inferiore (2;54).
  7. 7. Fotodiodo secondo la rivendicazione 6, in cui detta regione di catodo (2,4,6,8,14) comprende un substrato (2) ed un primo ed un secondo strato epitassiale (4,6), il primo strato epitassiale (4) essendo interposto tra il substrato (2) ed il secondo strato epitassiale (6) ed avendo livello di drogaggio inferiore ai livelli di drogaggio del substrato (2) e del secondo strato epitassiale (6), il substrato (2) ed il secondo strato epitassiale (6) formando rispettivamente la regione di rivestimento inferiore e la regione di rivestimento superiore.
  8. 8. Fotodiodo secondo la rivendicazione 7, in cui detta regione di catodo (2,4,6,8,14) comprende inoltre un terzo strato epitassiale (8), sovrastante il secondo strato epitassiale (6), ed una regione arricchita (14) estendentesi all’interno del terzo strato epitassiale (8), a contatto con la regione di anodo (12), ed in cui il terzo strato epitassiale (8) ha un livello di drogaggio inferiore ai livelli di drogaggio del secondo strato epitassiale (6) e della regione arricchita (14).
  9. 9. Fotodiodo secondo la rivendicazione 6, in cui detta regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54) comprende un substrato (2) ed un primo ed un secondo strato epitassiale (4,6), il primo strato epitassiale (4) essendo interposto, a distanza, tra il substrato (2) ed il secondo strato epitassiale (6); ed in cui la regione di rivestimento superiore (52) à ̈ interposta tra il primo ed il secondo strato epitassiale (4,6), e la regione di rivestimento inferiore (54) à ̈ interposta tra il substrato (2) ed il primo strato epitassiale (4), il primo strato epitassiale (4) avendo livello di drogaggio inferiore ai livelli di drogaggio della regione di rivestimento superiore (52) e della regione di rivestimento inferiore (54), il substrato (2) ed il secondo strato epitassiale (6) avendo livelli di drogaggio superiori ai livelli di drogaggio della regione di rivestimento superiore (52) e della regione di rivestimento inferiore (54), in maniera tale per cui il primo strato epitassiale (4), la regione di rivestimento superiore (52) e la regione di rivestimento inferiore (54) formano una regione di confinamento elettrico per portatori minoritari generati all’interno del primo strato epitassiale (4), della regione di rivestimento superiore (52) e della regione di rivestimento inferiore (54).
  10. 10. Fotodiodo secondo la rivendicazione 9, in cui detta regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54) comprende inoltre una regione arricchita (14) ed un terzo, un quarto ed un quinto strato epitassiale (8,52,54), il terzo strato epitassiale (8) avendo un livello di drogaggio inferiore del livello di drogaggio del secondo strato epitassiale (6) e sovrastando, in contatto diretto, il secondo strato epitassiale (6), la regione arricchita (14) estendendosi all’interno del terzo strato epitassiale (8), a contatto con la regione di anodo (12); ed in cui il quarto strato epitassiale (52) à ̈ interposto tra il primo ed il secondo strato epitassiale (4,6) e forma la regione di rivestimento superiore, e il quinto strato epitassiale (54) à ̈ interposto tra il substrato (2) ed il primo strato epitassiale (4) e forma la regione di rivestimento inferiore.
  11. 11. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la regione di anodo (12) si affaccia sulla prima superficie (Ssup).
  12. 12. Fotodiodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un anello di guardia (16) del secondo tipo di conducibilità, estendentesi esternamente alla regione di anodo (12), a contatto diretto con la regione di anodo (12) e con la regione di catodo (2,4,6,8,14,52,54), detto anello di guardia (16) avendo un livello di drogaggio inferiore al livello di drogaggio della regione di anodo (12).
  13. 13. Schiera di fotodiodi (1), comprendente una pluralità di fotodiodi secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  14. 14. Sistema di rivelazione di fotoni comprendente: - una schiera (220) di fotodiodi (1) secondo la rivendicazione 13, - una sorgente luminosa (200) accoppiata otticamente alla schiera (220); e - un’unità di elaborazione (520,530) accoppiata elettricamente alla schiera (220).
IT000398A 2013-05-16 2013-05-16 Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi ITTO20130398A1 (it)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000398A ITTO20130398A1 (it) 2013-05-16 2013-05-16 Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi
US14/270,760 US9299873B2 (en) 2013-05-16 2014-05-06 Avalanche photodiode operating in geiger mode including a structure for electro-optical confinement for crosstalk reduction, and array of photodiodes
US15/045,384 US9899557B2 (en) 2013-05-16 2016-02-17 Avalanche photodiode operating in geiger mode including a structure for electro-optical confinement for crosstalk reduction, and array of photodiodes

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT000398A ITTO20130398A1 (it) 2013-05-16 2013-05-16 Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ITTO20130398A1 true ITTO20130398A1 (it) 2014-11-17

Family

ID=48703745

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
IT000398A ITTO20130398A1 (it) 2013-05-16 2013-05-16 Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell'interferenza, e schiera di fotodiodi

Country Status (2)

Country Link
US (2) US9299873B2 (it)
IT (1) ITTO20130398A1 (it)

Families Citing this family (46)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9271694B2 (en) * 2013-12-18 2016-03-01 General Electric Company System and method of simplifying a direct control scheme for a detector
US10217889B2 (en) * 2015-01-27 2019-02-26 Ladarsystems, Inc. Clamped avalanche photodiode
FR3041817B1 (fr) * 2015-09-30 2017-10-13 Commissariat Energie Atomique Photodiode de type spad
GB2551483B (en) * 2016-06-13 2020-05-27 Toshiba Res Europe Limited A photon detection device and a method of manufacturing a photon detection device
IT201700053528A1 (it) 2017-05-17 2018-11-17 St Microelectronics Srl Dispositivo optoelettronico accordabile e sensore di pressione sanguigna includente il medesimo
US10879415B2 (en) 2017-06-23 2020-12-29 Kabushiki Kaisha Toshiba Photodetector, photodetection system, lidar apparatus, vehicle, and method of manufacturing photodetector
US10373999B2 (en) * 2017-09-29 2019-08-06 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Image sensor and associated fabricating method
US10672934B2 (en) * 2017-10-31 2020-06-02 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. SPAD image sensor and associated fabricating method
JP7169071B2 (ja) 2018-02-06 2022-11-10 ソニーセミコンダクタソリューションズ株式会社 画素構造、撮像素子、撮像装置、および電子機器
JP2019165181A (ja) * 2018-03-20 2019-09-26 株式会社東芝 光検出装置
WO2019188244A1 (ja) * 2018-03-27 2019-10-03 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光検出器
WO2019189700A1 (ja) 2018-03-30 2019-10-03 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光検出器
US10158038B1 (en) 2018-05-17 2018-12-18 Hi Llc Fast-gated photodetector architectures comprising dual voltage sources with a switch configuration
WO2019221799A1 (en) 2018-05-17 2019-11-21 Hi Llc Stacked photodetector assemblies
US10340408B1 (en) 2018-05-17 2019-07-02 Hi Llc Non-invasive wearable brain interface systems including a headgear and a plurality of self-contained photodetector units configured to removably attach to the headgear
US10420498B1 (en) 2018-06-20 2019-09-24 Hi Llc Spatial and temporal-based diffusive correlation spectroscopy systems and methods
IT201800007231A1 (it) * 2018-07-16 2020-01-16 Fotodiodo a valanga operante in modalita' geiger a basso rumore e relativo procedimento di fabbricazione
US11213206B2 (en) 2018-07-17 2022-01-04 Hi Llc Non-invasive measurement systems with single-photon counting camera
IT201800007263A1 (it) 2018-07-17 2020-01-17 Sensore ottico a bassa potenza per applicazioni di consumo, industriali e automobilistiche
US10511796B1 (en) * 2018-07-26 2019-12-17 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Image sensor system, associated readout circuit thereof and associated method
IT201800007970A1 (it) 2018-08-08 2020-02-08 St Microelectronics Srl Dispositivo optoelettronico a eterostruttura per l'emissione e il rilevamento di radiazione elettromagnetica, e relativo procedimento di fabbricazione
JP7242234B2 (ja) * 2018-09-28 2023-03-20 キヤノン株式会社 光検出装置、光検出システム
JP7182978B2 (ja) * 2018-09-28 2022-12-05 キヤノン株式会社 光検出装置、光検出システム
US11006876B2 (en) 2018-12-21 2021-05-18 Hi Llc Biofeedback for awareness and modulation of mental state using a non-invasive brain interface system and method
AU2020268718A1 (en) 2019-05-06 2021-11-25 Hi Llc Photodetector architectures for time-correlated single photon counting
WO2020236371A1 (en) 2019-05-21 2020-11-26 Hi Llc Photodetector architectures for efficient fast-gating
US10868207B1 (en) 2019-06-06 2020-12-15 Hi Llc Photodetector systems with low-power time-to-digital converter architectures to determine an arrival time of photon at a photodetector based on event detection time window
EP4078680A1 (en) * 2019-12-17 2022-10-26 Soreq Nuclear Research Center High-voltage fast-avalanche diode
WO2021167890A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Wearable module assemblies for an optical measurement system
US11630310B2 (en) 2020-02-21 2023-04-18 Hi Llc Wearable devices and wearable assemblies with adjustable positioning for use in an optical measurement system
US11515014B2 (en) 2020-02-21 2022-11-29 Hi Llc Methods and systems for initiating and conducting a customized computer-enabled brain research study
US11950879B2 (en) 2020-02-21 2024-04-09 Hi Llc Estimation of source-detector separation in an optical measurement system
WO2021167877A1 (en) 2020-02-21 2021-08-26 Hi Llc Multimodal wearable measurement systems and methods
US11771362B2 (en) 2020-02-21 2023-10-03 Hi Llc Integrated detector assemblies for a wearable module of an optical measurement system
US11245404B2 (en) 2020-03-20 2022-02-08 Hi Llc Phase lock loop circuit based signal generation in an optical measurement system
US11877825B2 (en) 2020-03-20 2024-01-23 Hi Llc Device enumeration in an optical measurement system
US11857348B2 (en) 2020-03-20 2024-01-02 Hi Llc Techniques for determining a timing uncertainty of a component of an optical measurement system
WO2021188487A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Temporal resolution control for temporal point spread function generation in an optical measurement system
US11903676B2 (en) 2020-03-20 2024-02-20 Hi Llc Photodetector calibration of an optical measurement system
US11645483B2 (en) 2020-03-20 2023-05-09 Hi Llc Phase lock loop circuit based adjustment of a measurement time window in an optical measurement system
WO2021188485A1 (en) 2020-03-20 2021-09-23 Hi Llc Maintaining consistent photodetector sensitivity in an optical measurement system
US11187575B2 (en) 2020-03-20 2021-11-30 Hi Llc High density optical measurement systems with minimal number of light sources
US11864867B2 (en) 2020-03-20 2024-01-09 Hi Llc Control circuit for a light source in an optical measurement system by applying voltage with a first polarity to start an emission of a light pulse and applying voltage with a second polarity to stop the emission of the light pulse
CN116964746A (zh) * 2021-02-07 2023-10-27 皇家飞利浦有限公司 具有近红外（nir）光子检测效率改善的单光子雪崩二极管（spad）的装置
CN114899267A (zh) * 2021-04-30 2022-08-12 深圳阜时科技有限公司 光电转换器件、感测装置、电子设备及制造方法
US20230027354A1 (en) * 2021-07-26 2023-01-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Doped semiconductor structure for nir sensors

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090184384A1 (en) * 2008-01-18 2009-07-23 Stmicroelectronics S.R.L. Array of mutually isolated, geiger-mode, avalanche photodiodes and manufacturing method thereof

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004034423A2 (en) * 2002-10-10 2004-04-22 Xponent Photonics Inc. Semiconductor photodetector with internal reflector
US6870239B1 (en) * 2003-04-04 2005-03-22 Solid State Scientific Corporation Avalanche photodiode having an extrinsic absorption region
EP1623466A1 (en) * 2003-05-14 2006-02-08 University College Cork-National University of Ireland, Cork A photodiode
US7333692B1 (en) * 2005-10-24 2008-02-19 Lightsmyth Technologies Inc. Optical waveguide assembled with an optical subunit having a diffractive element set and an optical component
IT1396332B1 (it) * 2009-10-02 2012-11-16 St Microelectronics Srl Schieramento di fotodiodi per rilevazione di immagini a due terminali uscita di dati multiplati e procedimento di fabbricazione.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090184384A1 (en) * 2008-01-18 2009-07-23 Stmicroelectronics S.R.L. Array of mutually isolated, geiger-mode, avalanche photodiodes and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
US20160163906A1 (en) 2016-06-09
US20140339398A1 (en) 2014-11-20
US9899557B2 (en) 2018-02-20
US9299873B2 (en) 2016-03-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ITTO20130398A1 (it) Fotodiodo a valanga operante in modalita&#39; geiger includente una struttura di confinamento elettro-ottico per la riduzione dell&#39;interferenza, e schiera di fotodiodi
US10700220B2 (en) Array of Geiger-mode avalanche photodiodes for detecting infrared radiation
US9741879B2 (en) SPAD photodiode covered with a network
TWI443817B (zh) Photodiode array
US8742528B2 (en) Photodiode and photodiode array
US20140061835A1 (en) Semiconductor light-detecting element
US9293499B2 (en) Semiconductor light detecting element having silicon substrate and conductor
ITTO20100251A1 (it) Fotodiodo a valanga operante in modalita&#39; geiger ad elevato rapporto segnale rumore e relativo procedimento di fabbricazione
KR20120070348A (ko) 트렌치 분리형 실리콘 포토멀티플라이어
KR101098165B1 (ko) 전 파장 대의 양자효율이 우수한 수직구조의 실리콘 광전자 증배관
US20170365636A1 (en) Multiband optoelectronic device for colorimetric applications and related manufacturing process
US20140231951A1 (en) Silicon photomultiplier and method of manufacturing silicon photomultiplier
JP2020150128A (ja) センサ及び距離計測装置
KR20110131008A (ko) 배면 입사 구조를 갖는 실리콘 광전자증배관, 그 제조방법 및 이를 이용한 방사선 검출기
US10971643B2 (en) Implementation of an optimized avalanche photodiode (APD)/single photon avalanche diode (SPAD) structure
ITTO20120634A1 (it) Fotorivelatore con canale microfluidico integrato e relativo procedimento di fabbricazione
US20170263793A1 (en) Photodetector and object detection system using the same
IT201800007231A1 (it) Fotodiodo a valanga operante in modalita&#39; geiger a basso rumore e relativo procedimento di fabbricazione
ITTO20120584A1 (it) Rivelatore optoelettronico ad alta frequenza
US20190027527A1 (en) Avalanche photodiode detector array with a crosstalk reduction layer
KR20150111299A (ko) 이미지 센서
KR102165216B1 (ko) 방사선 화상 검출 장치
JP2016207807A (ja) 光電変換素子
IT202100009443A1 (it) Un sensore di radiazioni
CN114981970A (zh) 光电传感器及距离测定系统