ITVI20130263A1 - Dispositivo fotomoltiplicatore allo stato solido perfezionato e metodo di controllo di detto dispositivo fotomoltiplicatore - Google Patents

Description

DISPOSITIVO FOTOMOLTIPLICATORE ALLO STATO SOLIDO PERFEZIONATO E METODO DI CONTROLLO DI DETTO DISPOSITIVO FOTOMOLTIPLICATORE.

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un dispositivo fotomoltiplicatore a stato solido di tipo perfezionato per la rilevazione di uno o più fotoni che impattano la superficie sensibile del suddetto dispositivo,

L’invenzione concerne inoltre il metodo di controllo di tale dispositivo fotomoltiplicatore dell'invenzione.

E’ noto che esistono molteplici campi di applicazione in cui è richiesta la rilevazione di luce a bassissima intensità.

In campo medico, per esempio, tale necessità sussiste negli apparati per l’esecuzione della tecnica conosciuta come tomografia a emissione di positroni (PET) mediante la quale è possibile ottenere bioimmagini che consentono di creare mappe dei processi funzionali all'interno del corpo.

In particolare, tale tecnica prevede di somministrare nel corpo del paziente sottoposto ad esame un isotopo tracciante che, successivamente ad un processo di decadimento, di emissione di positroni e di annichilazione di questi ultimi con degli elettroni, provoca l’emissione di due fotoni in direzioni opposte.

Tali fotoni, quando raggiungono un materiale scintillatore, posto nel dispositivo di scansione, determinano un lampo luminoso che viene rilevato dai suddetti dispositivi fotomoltiplicatori.

In questi specifici casi, come in altre applicazioni, lo scopo è quello di “contare” il numero di fotoni e solitamente anche stabilire, nel modo più preciso possibile, l'istante di tempo di arrivo della particella ad alta energia.

Per consentire questa rilevazione è necessario perciò utilizzare dei dispositivi fotomoltiplicatori con un’elevata efficienza prestazionale, che può essere quantificata da un'elevata risoluzione temporale ed energetica, nella misura del numero di fotoni generati nel lampo, e da limitati, se non assenti, problemi di sensibilità alle interferenze intrinseche e/o esterne.

E’ notorio che recentemente sono stati sviluppati dispositivi fotomoltiplicatori a stato solido, denominati in gergo tecnico “Silicon photomultiplier” o “SiPM”, e di seguito, se non indicato diversamente, denominati semplicemente dispositivi fotomoltiplicatori. Tali dispositivi fotomoltiplicatori comprendono una pluralità di microcelle fotosensibili solitamente disposte a matrice su un unico substrato di semiconduttore. Ciascuna delle suddette microcelle fotosensibili comprende un fotodiodo a valanga polarizzato inversamente, che risponde indipendentemente dagli altri emettendo un pacchetto elementare di carica in corrispondenza alla rilevazione di un fotone. Ciascuna microcella fotosensibile comprende inoltre, connesso in serie al fotodiodo, un circuito di quenching atto a spegnere tale effetto a valanga che si è instaurato nello stesso fotodiodo a seguito dell’impatto di un fotone sulla propria superficie sensibile.

In particolare, esistono due distinte tipologie di circuiti di quenching, dette rispettivamente di tipo passivo e di tipo attivo, ciascuna delle quali presenta dei vantaggi e degli svantaggi di seguito presentati. Per quanto riguarda la modalità di quenching di tipo passivo, il relativo circuito viene implementato con una resistenza in serie al fotodiodo che limita il valore della corrente di valanga fino a provocarne lo spegnimento.

Per quanto riguarda, invece, la modalità di quenching attivo, il relativo circuito è implementato mediante un driver di tensione che consente di impostare la tensione di polarizzazione tra i capi del fotodiodo. In particolare, il driver è attivo per periodi di tempo limitati, che corrispondono alla scarica del fotodiodo, cioè quando è necessario spegnere il suddetto effetto a valanga, e alla carica del medesimo fotodiodo, quando cioè si vuole polarizzare inversamente il fotodiodo successivamente allo spegnimento dell’effetto a valanga.

Ad esclusione di tali due periodi di tempo, viceversa il driver rimane in alta impedenza, lasciando il fotodiodo o carico alla tensione di polarizzazione imposta durante la fase di carica oppure, vantaggiosamente e contrariamente all’approccio passivo, in uno stato di polarizzazione al di sotto della tensione di breakdown VBD, in cui non si generano valanghe, per un periodo impostabile, detto in gergo “tempo morto del rilevatore”. Tale ultima caratteristica, come verrà chiarito di seguito, consente di diminuire il rumore “correlato” riscontrabile nel dispositivo fotomoltiplicatore in quanto, scegliendo un tempo morto di valore opportuno, è possibile inibire il così detto fenomeno di “Afterpulsing”, definito in dettaglio più avanti.

Tuttavia, svantaggiosamente, con la maggior parte delle tecnologie attualmente utilizzate per implementare il circuito di quenching attivo, il tempo di reazione dello stesso circuito, a seguito della generazione di una valanga nel fotodiodo, risulta molto più lungo rispetto al tempo di scarica della giunzione di tale fotodiodo. Quindi, nonostante i suddetti vantaggi ottenuti con un circuito di quenching attivo, a quest'ultimo solitamente si tende ad affiancare un circuito di quenching passivo. Oltretutto, poiché lo spazio occupato da un circuito di quenching attivo è tale per cui non è possibile integrare lo stesso in ciascuna microcella fotosensibile di un dispositivo fotomoltiplicatore, se non a costo di una perdita eccessiva di area fotosensibile, nei dispositivi fotomoltiplicatori attualmente in commercio viene implementato esclusivamente un circuito di quenching di tipo passivo.

E’ altrettanto noto che esistono attualmente due tipologie di dispositivi fotomoltiplicatori a stato solido, a seconda di come vengono trattati i segnali di uscita dei singoli fotodiodi.

Una prima tipologia consiste nei dispositivi fotomoltiplicatori digitali (dSiPM), nei quali i segnali dei singoli fotodiodi vengono digitalizzati localmente, generalmente a livello della singola microcella, ed inviati ad un’unità logica posta sulla stessa superficie su cui sono realizzate le suddette microcelle fotosensibili. Per l'implementazione di queste funzionalità, tali dSiPM vengono normalmente realizzati in una tecnologia CMOS modificata, che consente di integrare diverse funzioni logiche direttamente nel dispositivo.

Tale unità logica fornisce in uscita dati relativi alla rilevazione dei fotoni incidenti.

La seconda tipologia di dispositivi fotomoltiplicatori è di tipo analogico (aSiPM) e prevede di fornire in uscita un unico segnale analogico proporzionale al numero di microcelle fotosensibili attivate, cioè proporzionale al numero di fotodiodi sui quali si è verificato l’impatto di uno o più fotoni.

A tale scopo, il fotodiodo di ciascuna microcella fotosensibile di quest’ultima tipologia di dispositivi fotomoltiplicatori risulta collegato in parallelo con i fotodiodi delle altre microcelle fotosensibili e, di conseguenza, le correnti generate dalle singole microcelle durante la rivelazione di un lampo di luce si sommano.

Le suddette due tipologie di dispositivi fotomoltiplicatori allo stato solido presentano reciprocamente dei vantaggi e degli svantaggi l’una rispetto all’altra, descritti di seguito.

Per quanto riguarda i dispositivi fotomoltiplicatori di tipo digitale, grazie aN'implementazione locale di circuiti logici digitali, essi, vantaggiosamente, consentono l’inibizione a livello logico in maniera semplice delle eventuali microcelle fotosensibili non funzionanti o che risultano molto rumorose, a differenza dei dispositivi fotomoltiplicatori di tipo analogico in cui l'inibizione delle suddette microcelle fotosensibili non è possibile a meno di intervenire fisicamente sulle connessioni elettriche.

Nel dettaglio, i fattori che determinano la rumorosità di una microcella fotosensibile sono principalmente il così detto in gergo tecnico “Dark Count Rate” o DCR, il già citato "Afterpulsing” o AP e il fenomeno di “Optical Cross-talk” o OC. Con il termine “Dark Count Rate” si intende la probabilità neH’unità di tempo che avvenga la generazione dell’effetto a valanga su un fotodiodo di una microcella fotosensibile a causa della generazione termica di portatori nel silicio in corrispondenza deN'area sensibile, in assenza di impatto di un fotone su tale area, da cui il termine Dark Count (DC), o evento di buio. Pertanto tale tipologia di rumore non risulta correlato con la rilevazione di un fotone. L’”Afterpulsing” è invece la probabilità che avvenga la generazione dell’effetto a valanga su un fotodiodo dovuto al rilascio di portatori intrappolati nell’area attiva dello stesso fotodiodo durante una precedente valanga causata dalla rilevazione di un fotone o dal suddetto DCT. Tale fenomeno quindi, a differenza del suddetto “Dark Count Rate”, risulta correlato con la rilevazione di un evento, fotone o DC, da parte del fotodiodo. Infine, con “Optical Cross-talk” si intende quel fenomeno per cui quando si genera una valanga in una singola microcella fotosensibile, le così dette in gergo “hot carriere” emettono un certo numero di fotoni che può essere assorbito e determinare la generazione di una valanga in un’altra microcella fotosensibile appartenete al medesimo dispositivo fotomoltiplicatore.

Ritornando al confronto tra le due tipologie di dispositivi fotomoltiplicatori allo stato solido, un ulteriore vantaggio dei fotomoltiplicatori digitali rispetto a quelli analogici sussiste nel fatto che la loro risoluzione temporale è sostanzialmente indipendente dalla dimensione del dispositivo stesso.

Per contro, i dispositivi fotomoltiplicatori analogici presentano una maggiore semplicità di realizzazione e di gestione rispetto a quelli digitali.

Perciò, i dispositivi fotomoltiplicatori del tipo analogico presentano un costo di realizzazione minore rispetto a quelli digitali e quindi in alcune situazione il loro utilizzo è preferibile.

Ulteriormente, la superficie sensibile dei fotomoltiplicatori analogici risulta indipendente dall’unità logica che gestisce i segnali di uscita dai fotodiodi, in quanto la connessione tra le due entità è realizzata mediante mezzi di collegamento discreti (wire bonds o simili) a differenza dei dispositivi fotomoltiplicatori digitali in cui, solitamente l’unità logica, come già accennato in precedenza, è ricavata sulla stessa superficie su cui sono realizzati i fotodiodi.

Di conseguenza, vantaggiosamente, con i dispositivi fotomoltiplicatori analogici, è possibile intervenire sull’unità logica indipendentemente dalla superficie sensibile e viceversa.

Inoltre, il fatto che i dispositivi fotomoltiplicatori digitali presentino l’unità logica sulla superficie in cui sono realizzate le microcelle fotosensibili, determina la presenza di un’area “morta” non sensibile all’impatto dei fotoni che, a sua volta, determina la diminuzione del così detto in gergo tecnico “Fili Factor” o FF, definito come il rapporto tra la superficie effettivamente fotosensibile e l’intera area occupata dal dispositivo fotomoltiplicatore.

Dall’analisi comparata delle due tipologie di dispositivi fotomoltiplicatori a stato solido sopra descritte, si comprendono quindi gli inconvenienti deN’arte nota.

La presente invenzione intende superare gli inconvenienti detti.

In particolare è scopo dell’invenzione realizzare un dispositivo fotomoltiplicatore di tipo analogico che presenti un indice di efficienza maggiore rispetto ai dispositivi analogici dell’arte nota.

In particolare, è scopo dell’invenzione realizzare un dispositivo fotomoltiplicatore di tipo analogico in grado di inibire in modo automatico e rapido, a seguito di una fase di ricarica dell’intera superficie fotosensibile, quelle microcelle fotosensibili considerate altamente rumorose, cioè con un elevato valore di “Dark Count Rate”. Un ulteriore scopo dell’invenzione è la realizzazione di un dispositivo fotomoltiplicatore in grado di limitare, se non eliminare, il così detto fenomeno dell’”Afterpulsing” nelle singole microcelle fotosensibili. Ancora scopo dell’invenzione è la realizzazione di un dispositivo fotomoltiplicatore che permetta di incrementare il FF a parità di dimensioni della microcella fotosensibile rispetto ai dispositivi fotomoltiplicatori deN'arte nota, oppure permetta di ridurre le dimensioni delle microcelle fotosensibile, mantenendo un elevato valore di FF.

Ulteriormente, scopo della presente invenzione è la realizzazione di un dispositivo fotomoltiplicatore con una resa produttiva più elevata rispetto ai dispositivi fotomoltiplicatori deN'arte nota, dovuta ad un minor numero di scarti durante la produzione.

In particolare, grazie al fatto che con il dispositivo fotomoltiplicatore dell'invenzione è possibile inibire le microcelle fotosensibili altamente rumorose, dette in gergo “screamers”, non sarà più necessario scartare in produzione quei dispositivi fotomoltiplicatore con un numero elevato, purché ragionevole, di tali “screamers”.

Non ultimo scopo dell’invenzione è la realizzazione di un dispositivo fotomoltiplicatore di tipo analogico con integrate alcune caratteristiche strutturali e funzionali, proprie dei dispositivi fotomoltiplicatori digitali, che consentono di ottenere i vantaggi sopra definiti, pur mantenendo un costo di realizzazione inferiore rispetto a tali dispositivi digitali.

Gli scopi detti sono raggiunti da un dispositivo fotomoltiplicatore avente le caratteristiche secondo la rivendicazione principale.

In particolare, il dispositivo fotomoltiplicatore dell'invenzione di tipo analogico, cioè comprendente una pluralità di fotodiodi a valanga connessi tra loro in parallelo, si caratterizza per il fatto di prevedere un componente di interruzione della continuità elettrica connesso in serie a ciascuno dei suddetti fotodiodi a valanga. Tutti tali componenti di interruzione, appartenenti alla pluralità di microcelle fotosensibili, vengono configurati per commutare in modo simultaneo da uno stato di conduzione ad uno stato di interdizione o viceversa.

Ulteriori caratteristiche del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione vengono descritte nelle rivendicazioni dipendenti.

Fa parte dell’invenzione anche il metodo di controllo del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione, secondo la rivendicazione 11.

Vantaggiosamente, il fatto che ciascuno dei suddetti componenti di interruzione venga implementato mediante un transistor MOS di reset nel modo descritto nella rivendicazione 5, consente di limitare lo spazio occupato dallo stesso transistor all'interno di ciascuna microcella fotosensibile e, di conseguenza, di aumentare il valore di Fili Factor dell’intero dispositivo fotomoltiplicatore.

Ancora vantaggiosamente, il fatto di realizzare un condensatore MOS di estrazione del segnale analogico secondo la rivendicazione 6, consente sia di rendere indipendente il segnale di uscita dal controllo della commutazione del transistor MOS di reset, sia di isolare in modo efficacie le microcelle fotosensibili tra di loro e dal drain del suddetto transistore di reset, come verrà spiegato in dettaglio durante la descrizione delle preferite forme esecutive del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione.

Inoltre, un ulteriore vantaggio dovuto alla particolare implementazione di un gruppo di microcelle fotosensibili adiacenti secondo le caratteristiche descritte alle rivendicazioni 9 o 10, consente di limitare ulteriormente le dimensioni della singola microcella fotosensibile e, conseguentemente, di aumentare il valore di Fili Factor dell’intero dispositivo fotomoltiplicatore dell'invenzione.

Infine, vantaggiosamente il dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione consente di connettere la superficie sensibile a differenti tipologie di unità logiche in dipendenza delle esigenze di utilizzo.

Conseguentemente, un ulteriore vantaggio consiste nella possibilità di realizzare il dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione modulabile con differenti livelli di resa dal punto di vista funzionale che determinano differenti costi di produzione e di vendita.

Gli scopi ed i vantaggi detti verranno meglio evidenziati durante la descrizione di due preferite forme di esecuzione dell’invenzione che vengono date al seguito a titolo indicativo e non limitativo facendo riferimento alle allegate tavole di disegno ove:

- la fig. 1 rappresenta una vista assonometrica del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione secondo una prima forma esecutiva preferita;

- la fig. 2 rappresenta lo schema circuitale di una singola microcella fotosensibile, appartenete al dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione, nello stato di interdizione del componente di interruzione;

- la fig. 3 rappresenta lo schema circuitale della singola microcella fotosensibile, appartenete al dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione, nello stato di conduzione del componente di interruzione;

- la fig. 4 rappresenta lo schema circuitale della singola microcella fotosensibile secondo una forma realizzativa alternativa rispetto a quella rappresentate nelle figg. 2 e 3, nello stato di interdizione del componente di interruzione;

la fig. 5 rappresenta lo schema circuitale relativo airimplementazione della singola microcella rappresentata nelle figg.

2 e 3 secondo una prima forma esecutiva preferita dell'invenzione; - la fig. 6 rappresenta la sezione trasversale deH’implementazione della microcella fotosensibile di fig. 5;

- la fig. 7 rappresenta in vista topografica un gruppo di quattro microcelle fotosensibili secondo la prima forma esecutiva preferita del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione;

- la fig. 8 rappresenta una vista assonometrica del dispositivo fotomoltiplicatore secondo una seconda forma esecutiva preferita dell’invenzione;

la fig. 9 rappresenta lo schema circuitale relativo all’implementazione di una singola microcella fotosensibile secondo tale seconda forma esecutiva preferita del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione di fig. 8;

- la fig. 10 rappresenta in vista topografica un gruppo di quattro microcelle secondo tale seconda forma esecutiva preferita del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione di fig. 8.

- la fig. 11 rappresenta in vista topografica un gruppo di microcelle fotosensibili del dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione, connesse tra loro in modo da implementare la lettura righe/colonne delle singole microcelle fotosensibili;

- la fig. 12 rappresenta la sezione trasversale di una possibile implementazione della microcella fotosensibile rappresentata schematicamente in fig. 4;

la fig. 13 rappresenta lo schema circuitale relativo aH’implementazione di una singola microcella fotosensibile comprendente due transistor MOS di reset in serie ed un condensatore di reset.

Il dispositivo fotomoltiplicatore a stato solido o SiPM dell’invenzione per la rilevazione di uno o più fotoni è rappresentato nel suo complesso, in una prima forma esecutiva preferita, in fig. 1 , ove è indicato con 1 , e, in una seconda forma esecutiva preferita, in fig. 8, ove è indicato con 100.

Per quanto riguarda la suddetta prima forma esecutiva preferita, come si osserva in fig. 1 , il dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione comprende una superficie sensibile 2 ai suddetti fotoni F realizzata su un substrato a semiconduttore 3. Tale superficie sensibile 2 è definita da una pluralità di microcelle fotosensibili 4 connesse tra loro in parallelo in modo da fornire in uscita al dispositivo fotomoltiplicatore 1 stesso un unico segnale comune analogico Sout. Per tale motivo, il dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, è considerato un dispositivo fotomoltiplicatore allo stato solido di tipo analogico.

Come si osserva negli schemi circuitali di figg. 2 e 3, ciascuna delle microcelle fotosensibili 4 comprende un fotodiodo a valanga 5 interposto tra un primo elettrodo 6 ed un secondo elettrodo 7, i quali sono configurati per fornire al suddetto fotodiodo a valanga 5 una tensione di polarizzazione inversa.

Tale tensione di polarizzazione, in particolare, risulta superiore di un valore predefinito V0v rispetto alla tensione di breakdown VBD del fotodiodo a valanga 5.

Secondo la preferita forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, qui descritta e rappresentata in fig. 6, il fotodiodo a valanga 5 è realizzato con la tecnologia n su p, secondo la quale il terminale di raccolta 53 della carica della valanga coincide con il catodo 51 dello stesso fotodiodo a valanga 5. Non è escluso, tuttavia, che in una forma esecutiva alternativa del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell'invenzione il fotodiodo a valanga 5 venga realizzato con una tecnologia p su n, secondo la quale il terminale di raccolta 53 della carica della valanga risulta invece coincidente con l’anodo 52 dello stesso fotodiodo a valanga 5. Per tale motivo, d’ora in avanti per maggiore chiarezza e semplicità, ove non specificato diversamente, si utilizzerà il termine generico terminale di raccolta 53 per indicare il catodo 51 del fotodiodo n su p e l’anodo 52 del fotodiodo p su n.

Secondo l’invenzione, ciascuna delle suddette microcelle fotosensibili 4 comprende, inoltre, un componente di interruzione della continuità elettrica 8 interposto tra il terminale di raccolta 53 del relativo fotodiodo a valanga 5 e tale primo elettrodo 6. Tutti i suddetti componenti di interruzione 8 della pluralità di microcelle fotosensibili 4 risultano configurati in modo tale da commutare in modo simultaneo da uno stato di conduzione, rappresentato schematicamente in fig. 2, ad uno stato di interdizione, come rappresentato in fig. 3. Chiaramente, tali componenti di interruzione 8 sono configurati anche per commutare in modo simultaneo dal suddetto stato di interdizione allo stato di conduzione.

In particolare, tali commutazioni simultanee dei componenti di interruzione 8 vengono attuate, come verrà enunciato in dettaglio di seguito durante la descrizione della preferita forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, mediante un segnale di comando Scopportunamente generato e posto contemporaneamente in ingresso agli stessi componenti di interruzione 8.

Questo tipo di implementazione consente, vantaggiosamente, di attuare un metodo di controllo e funzionamento dello stesso dispositivo fotomoltiplicatore 1 secondo un approccio così detto di tipo “Passive Quenching - Active Recharge” o PQAR. In altre parole, tale metodo di controllo e funzionamento del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione consente di eseguire lo spegnimento in modalità passiva (Passive Quenching) dell’effetto a valanga instauratosi in uno o più dei fotodiodi a valanga 5 appartenerti alle varie microcelle fotosensibili 4 e, allo stesso tempo, consente di ricaricare le stesse microcelle fotosensibili 4, quindi polarizzare in modo inverso i suddetti fotodiodi 5, in un istante di tempo desiderato, cioè in una modalità attiva (Active Recharge).

Vantaggiosamente, il fatto di sfruttare tali componenti di interruzione 8 anche come circuiti di quenching passivo, consente di evitare, secondo tale forma esecutiva dell'invenzione, la realizzazione di resistenze di quenching in serie ai fotodiodi 5, e quindi consente di ridurre i costi di produzione dello stesso dispositivo fotomoltiplicatore 1.

Per capire meglio come tale approccio possa essere attuato con il dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, si consideri la situazione di partenza in cui tutti i fotodiodi a valanga 5 delle microcelle fotosensibili 4 risultano in uno stato di polarizzazione inversa, quindi caricati e pronti per rilevare l'assorbimento di un fotone F. Nello stesso momento, si consideri che i componenti di interruzione 8 si trovino nello stato di interdizione, come rappresentato in fig. 3. In questa situazione, a seguito dell’impatto di un fotone F su uno o più dei suddetti fotodiodi a valanga 5, negli stessi si verifica tale effetto a valanga. Questo effetto a valanga viene spento in modo passivo, a seguito della scarica della capacità di giunzione del fotodiodo a valanga 5 stesso fino alla tensione VBD, in quanto i componenti di interruzione 8, trovandosi nello stato di interdizione, si comportano sostanzialmente come un circuito aperto e non permettono il flusso di corrente attraverso la microcella fotosensibile. In tale condizione, le singole microcelle fotosensibili 4 in cui si è generato ed è stato spento l’effetto a valanga, rimangono inibite fintanto che i medesimi componenti di interruzione 8 non vengono commutati allo stato di conduzione, cioè fino a che i relativi fotodiodi a valanga 5 non vengono nuovamente polarizzati inversamente alla tensione VBD+VOV

Una volta comandata la commutazione simultanea di tutti i componenti di interruzione 8 allo stato di conduzione, le suddette microcelle fotosensibili 4 su cui si è verificato tale effetto a valanga vengono ricaricate e ritornano in uno stato attivo, al pari delle altre microcelle fotosensibili 4 su cui non è avvenuto l'impatto di alcun fotone F e, di conseguenza, in cui non si è verificata tale valanga. Pertanto, l’intera superficie sensibile 2 del dispositivo fotomoltiplicatore 1 si trova nuovamente in uno stato attivo, pronta a rilevare l’impatto su di essa di uno o più fotoni F. A questo punto, tutti i componenti di interruzione 8 vengono nuovamente commutati simultaneamente allo stato di interdizione per ristabilire la suddetta situazione di partenza.

Tale doppia commutazione simultanea dei componenti di interruzione 8, che d’ora in avanti verrà indicata come “fase di reset”, viene ripetuta ogni periodo di tempo T, il cui valore è scelto opportunamente in base alle caratteristiche elettriche e alle esigenze di utilizzo del dispositivo fotomoltiplicatore 1. In sostanza, tutte le microcelle fotosensibili 4, teoricamente, risultano in uno stato attivo, cioè in grado di rilevare un fotone F che impatta la propria parte sensibile, per un tempo che intercorre tra una fase di reset e la successiva.

Questo tipo di approccio attuato mediante il dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione consente di ottenere una serie di effetti tecnici vantaggiosi che a loro volta consentono di raggiungere gli scopi dell’invenzione sopra indicati.

In particolare, un primo effetto vantaggioso che si ottiene mediante l’attuazione della suddetta fase di reset sul dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, consiste nel fatto che le microcelle fotosensibili 4 con un elevato livello di DCR tendono, immediatamente dopo ciascuna fase di reset, a generare un effetto a valanga indipendentemente dall’impatto o meno di fotoni F su di esse Quindi tali microcelle fotosensibili 4 non contribuiscono al DCR del dispositivo fotomoltiplicatore 1 per la maggior parte del tempo in cui lo stesso dispositivo 1 risulta sensibile ai fotoni, cioè tra una fase di reset e la successiva.

Si ritiene importante a questo punto sottolineare il fatto che, in generale, nella popolazione di microcelle fotosensibili 4 di un SiPM, è comune che una piccola parte di esse contribuisca al grosso del DCR. Come detto in precedenza, per i motivi sopra descritti, gli effetti a valanga generatisi in tali microcelle fotosensibili 4 con un elevato livello di DCR tendono ad esaurirsi in un tempo limitato. Questo effetto, nonostante comporti la perdita di superficie sensibile dell’intero dispositivo fotomoltiplicatore 1 dovuta allo spegnimento di tali microcelle fotosensibili 4, limita, ad una piccola frazione del periodo in cui la superficie sensibile si trova nello stato attivo, il contributo di queste ultime microcelle fotosensibili 4 al rumore totale dello stesso dispositivo fotosensibile 1. Pertanto, vantaggiosamente, una volta spente tali microcelle fotosensibili 4 altamente rumorose, si ottiene un giusto compromesso tra l’efficienza (intesa come “Photo Detection Efficiency”, o PDE) del dispositivo fotosensibile 1, che diminuisce, e la rumorosità dello stesso dispositivo.

Vantaggiosamente, in questo modo si realizza, automaticamente, un effetto simile allo spegnimento, programmabile, delle microcelle fotosensibili più rumorose in un dispositivo fotomoltiplicatore di tipo digitale.

Inoltre, un ulteriore effetto vantaggioso che si ottiene con l’utilizzo del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione è la forte riduzione, se non l’eliminazione, del fenomeno di “Afterpulsing”. Infatti, poiché a seguito della generazione dell’effetto a valanga in una singola microcella fotosensibile 4, tale microcella resta interdetta fino alla successiva fase di reset, scegliendo un periodo di reset T opportuno, si è in grado di inibire un’ulteriore generazione di effetto a valanga sulla medesima microcella fotosensibile 4 dovuta al fenomeno di Afterpulsing. Da questo punto di vista si ottiene un effetto molto simile a quello ottenuto con un circuito di quenching attivo, come descritto in precedenza. Anche per questo motivo, vantaggiosamente, si ottiene un giusto compromesso tra l’efficienza del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione e il livello di rumorosità dello stesso.

Secondo la preferita forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, il primo e il secondo elettrodo 6 e 7 risultano in comune alla pluralità di microcelle fotosensibili 4, in modo da fornire ai relativi fotodiodi a valanga 5 una comune tensione di polarizzazione inversa.

Ulteriormente, secondo (a preferita forma esecutiva dell’invenzione, ciascuno dei suddetti componenti di interruzione 8, come si osserva in fig. 5, è un transistor MOS di reset 10 connesso con il proprio terminale di source 11 al terminale di raccolta 53 del fotodiodo a valanga 5, che nel caso specifico corrisponde al catodo 51 dello stesso fotodiodo 5, e con il proprio terminale di drain 12 al primo elettrodo 6. Inoltre, tutti i transistor MOS di reset 10 della pluralità di microcelle fotosensibili 4 presentano i propri terminali di gate 13 connessi tra loro in comune. Tali terminali di gate 13 in comune sono inoltre configurati per ricevere in ingresso il suddetto segnale di comando di tipo impulsivo Sc, in modo da comandare la commutazione simultanea degli stessi transistors MOS di reset 10 dal suddetto stato di conduzione a quello di interdizione e viceversa e, pertanto, in modo da attuare la fase di reset sopra descritta.

Una forma esecutiva alternativa delle microcelle fotosensibili 4 qui descritte e rappresentate nelle figg. 2 e 3, potrebbe prevedere un componente di quenching 9 interposto tra il componente di interruzione 8 e il primo elettrodo 6, come si osserva in fig. 4. La presenza di tale componente di quenching 9, vantaggiosamente, consente di spegnere l’eventuale effetto a valanga che si potrebbe instaurare nelle microcelle fotosensibili 4 stesse durante la fase di reset, cioè quando il componente di interruzione 8 si trova nello stato di conduzione e quindi impossibilitato a bloccare esso stesso tale fenomeno.

Preferibilmente ma non necessariamente, il suddetto componente di quenching 9 è implementato mediante una resistenza di quenching 9. Ulteriormente, secondo una preferita forma esecutiva dell'invenzione, la resistenza di quenching 9 è realizzata in silicio, con uno strato dello stesso tipo degli strati superficiali n+ (o p+), e drogaggio opportuno per ottenere il valore di resistenza desiderato. In questo modo la resistenza di quenching 9 può essere fusa, o eventualmente sostituire lo strato relativo al terminale di source 11 del transistor MOS di reset 10, come si osserva in fig. 12, o, secondo un’ulteriore variante esecutive, sostituire lo strato relativo al terminale di drain 12. Vantaggiosamente, in questo modo la resistenza di quenching 9 viene implementata con un solo strato aggiuntivo e con una sola maschera litografica aggiuntiva rispetto al processo standard che prevede la realizzazione del solo transistor MOS di reset 10.

Non è escluso che in differenti forme esecutive del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, tale componente di quenching 9 possa essere implementato in modo differente rispetto ad una resistenza di quenching, purché sia in grado di spegnere l’eventuale effetto a valanga che potrebbe verificarsi durante la suddetta fase di reset.

E' importante evidenziare, a tal proposito, ciò che avviene in un fotodiodo 5 quando, durante una fase di reset del dispositivo fotomoltiplicatore 1, si verifica una valanga. In tale situazione il numero di portatori che attraversano la giunzione del fotodiodo 5 durante la valanga - detto anche "Guadagno" della valanga - è molto più elevato rispetto agli eventi "normali", dato che la corrente di valanga non è bloccata dal quenching.

Di conseguenza, anche il numero di fotoni F emessi dalle hot carrier e la probabilità di Optical Crosstalk tra le microcelle fotosensibili 4 è proporzionalmente maggiore. Quindi, se in una microcella fotosensibile 4 si verifica una valanga durante il reset, è molto probabile che anche nelle microcelle fotosensibili 4 adiacenti se ne verifichino altre, che ne genereranno altre ancora, fino ad interessare tutte le microcelle fotosensibili 4 del dispositivo fotomoltiplicatore 1. Il risultato di questo processo è che, fino alla fase di reset successiva, tutto il dispositivo fotomoltiplicatore 1 non è sensibile alla luce. La probabilità che questo avvenga è funzione, in prima approssimazione, del DCR, della durata del reset, del periodo di reset T e dell'over-voltage. Perciò, la presenza di tale componente di quenching 9, e in particolare della resistenza di quenching 9, consente vantaggiosamente di evitare tale concatenazione di effetti. Dal punto di vista realizzativo, secondo la preferita forma esecutiva qui descritta, il dispositivo fotomoltiplicatore 1 prevede che le microcelle fotosensibili 4 siano realizzate sul suddetto unico substrato a semiconduttore 3. In particolare, preferibilmente ma non necessariamente, tale substrato semiconduttore 3 comprende un substrato epitassiale 14 sovrapposto ad uno strato altamente drogato.

Come si osserva in fig. 6, la preferita forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 prevede che sul suddetto substrato semiconduttore 3, per ciascuna microcella fotosensibile 4, venga definita la giunzione p-n 15 del fotodiodo a valanga 5, che come detto in precedenza, è realizzato secondo una tecnologia n su p.

Tale giunzione p-n 15, sempre secondo tale prima forma esecutiva preferita dell’invenzione, in particolare prevede un primo strato 16 sottoposto a drogaggio di tipo p+ superiormente al quale è definito un secondo strato 17 sottoposto a drogaggio di tipo n+. In particolare, tale secondo strato 17 funge sia da catodo 51 , e quindi da terminale di raccolta 53, del fotodiodo a valanga 5 sia da terminale di source 11 del transistor MOS di reset 10. Sul substrato semiconduttore 3 viene inoltre definito un terzo strato 18 realizzato distanziato dalla suddetta giunzione p-n 15 e sottoposto a drogaggio di tipo n+, cioè con la medesima tipologia di drogaggio del suddetto secondo strato 17 in modo da definire il terminale di drain 12 del transistor MOS di reset 10.

Come detto in precedenza, non è escluso, tuttavia, che in una forma realizzativa alternativa del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, la giunzione p-n 15 del fotodiodo a valanga 5 venga realizzata con tecnologia p su n. In questo caso il primo strato 16 è sottoposto ad un drogaggio di tipo n+, mentre i suddetti secondo e terzo strato 17 e 18 vengono sottoposti ad un drogaggio di tipo p+. Per quanto riguarda il terminale di gate 13 del transistor MOS di reset 10, come si osserva in fig. 6, esso è realizzato sovrapposto al substrato a semiconduttore 3 tra la giunzione p-n 15 e il terzo strato 18. Tale terminale di gate 13 preferibilmente comprende uno strato metallico 131.

Vantaggiosamente, tale realizzazione consente di ricavare il fotodiodo a valanga 5 e il transistor MOS di reset 10 di ciascuna delle microcelle fotosensibili 4 occupando un’area della superficie del dispositivo fotomoltiplicatore 1 inferiore rispetto all’area che verrebbe occupata da un fotodiodo e da un transistor MOS separato. Pertanto, tale realizzazione della singola microcella fotosensibile 4 rappresentata in fig. 6 consente di mantenere elevato il valore di Fili Factor dell’intero dispositivo fotomoltiplicatore 1, nonostante l’introduzione di un componente attivo, come il transistor MOS di reset 10.

Inoltre, preferibilmente ma non necessariamente i terminali di source 11 e di drain 12 del transistor MOS di reset 10, secondo la preferita forma esecutiva qui descritta e rappresentata in fig. 6, sono realizzati sfruttando sostanzialmente il medesimo strato n+ che consente di definire il terminale di raccolta 53 del fotodiodo a valanga 5. Pertanto con tale implementazione non si ha, vantaggiosamente, un aumento della complessità del processo di realizzazione della suddetta microcella fotosensibile 4.

E’ importante sottolineare, a questo punto, il fatto che la struttura della singola microcella fotosensibile 4 rappresentata in fig. 6 consente di ottenere dei vantaggi che risultano indipendenti dalla struttura complessiva e dal particolare funzionamento del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, sopra descritto. Pertanto tali caratteristiche della microcella fotosensibile 4 appena descritte potrebbero essere eventualmente oggetto di rivendicazione, indipendentemente dalla suddetta struttura complessiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 , oggetto della presente invenzione, e dal relativo metodo di controllo e funzionamento.

Ulteriormente, per mantenere elevato il valore di Fili Factor del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, esso comprende una pluralità di gruppi di microcelle fotosensibili 50 affiancati tra loro, ciascun gruppo 50 dei quali, come si osserva in fig. 7, comprende quattro delle suddette microcelle fotosensibili 4. In particolare, le quattro microcelle fotosensibili 4 che costituiscono ciascuno dei suddetti gruppi 50, secondo la vista topografica di fig. 7, risultano raggruppate all’interno di un’area quadrangolare A. Nel dettaglio, in tale area quadrangolare A si individuano le giunzioni p-n 15 delle quattro microcelle fotosensibili 4, realizzate adiacenti a due a due in corrispondenza dei settori A1 definiti dall’intersezione di due assi D passanti per la stessa area quadrangolare A. Come già detto in precedenza, ciascuna giunzione p-n 15 definisce il fotodiodo a valanga 5 e il terminale di source 11 del transistor MOS di reset 10 di una delle quattro microcelle fotosensibili 4. Come si osserva sempre in fig. 7, per quanto riguarda i terminali di drain 12 dei transistor MOS di reset 10, essi risultano realizzati come elemento unico definito nel punto P di intersezione dei due assi D.

Inoltre, secondo la preferita forma esecutiva dell'invenzione qui descritta, i terminali di gate 13 dei transistor MOS di reset 10 risultano connessi in comune tra di loro e vengono realizzati sovrapposti a detto substrato semiconduttore 3 tra il terminale di drain 12 comune e il terminale di source 11. Infine, preferibilmente ma non necessariamente, il dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione comprende elementi di isolamento elettrico realizzati lungo gli assi D e sul perimetro dell’area quadrangolare A, in modo da isolare elettricamente tra loro le giunzioni p-n 15 delle microcelle fotosensibili 4 adiacenti.

Anche in questo caso, i vantaggi ottenuti con tale particolare struttura del gruppo 50 comprendente quattro microcelle fotosensibili 4 risultano indipendenti dalla struttura complessiva e dal particolare funzionamento del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, sopra descritto. Pertanto, anche in questo caso, tali caratteristiche del gruppo 50 potrebbero essere eventualmente oggetto di rivendicazione indipendentemente dalla struttura complessiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1, oggetto della presente invenzione, e dal relativo metodo di controllo e funzionamento.

Secondo la preferita forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 qui descritta, la lettura del segnale di uscita analogico Soutgenerato dal dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione viene eseguita mediante la tecnica di accoppiamento capacitivo (AC coupling) attraverso i terminali di gate 13, tra loro in comune, dei transistor MOS di reset 10 oppure attraverso il back dello stesso dispositivo fotomoltiplicatore 1.

Vantaggiosamente, l’implementazione dell’estrazione del segnale Soutmediante tale tecnica di accoppiamento capacitivo, consente di attuare una lettura rapida del segnale (“fast timing”), dato che quest’ultimo presenta una forma d’onda sostanzialmente pari alla derivata di un segnale a scalino e quindi molto breve e privo di undershoot.

Alternativamente, tale lettura potrebbe essere attuata in DC attraverso i terminali di drain 12, sempre dei transistor MOS di reset 10 appartenenti al dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione.

In questo modo l’informazione sulle microcelle fotosensibili 4 che hanno commutato durante il periodo di reset T viene mantenuta nel dispositivo fotomoltiplicatore 1 fino al ciclo di reset successivo, in cui viene letta.

Una possibile ulteriore applicazione di questo metodo di immagazzinamento del segnale e di lettura dello stesso in DC riguarda la lettura righe/colonne delle singole microcelle fotosensibili 4 o di sotto gruppi di microcelle del dispositivo fotomoltiplicatore 1. Una tipica suddivisione potrebbe portare alla partizione dell'area attiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 in una griglia di sotto-SiPM di dimensioni più piccole. Come si osserva in fig. 11 , i terminali di drain 12 dei transistor MOS di reset 10 delle microcelle 4 di ciascuna colonna di sotto-SiPM vengono connessi in comune, così come i terminali di gate 13 di ciascuna riga del sotto-SiPM. Nell’istante della lettura in DC, alla fine del periodo di reset T, vengono abilitati in sequenza i diversi terminali di gate 13, in modo che da ogni colonna costituita dai terminali di drain 12 in comune esca la carica immagazzinata nel sotto-SiPM corrispondente a quel terminale di drain 12 e a quel terminale di gate 13 abilitato in quello specifico momento. Ad ogni terminale di drain 12 viene associato un canale di lettura separato. In questo modo, vantaggiosamente, per leggere un array di n x n sotto-SiPM servono soltanto n canali di lettura.

Alternativamente, un ulteriore metodo di lettura righe/colonne potrebbe prevedere di collegare tutti i terminali di drain 12 insieme ad un unico canale di lettura. Tale metodo prevede quindi di usare due transistor MOS in serie per ogni microcella fotosensibile 4, come si osserva in fig. 13, collegati a due terminali di gate 13 di comando distinti tra loro. I due terminali di gate 13 di comando sono collegati, rispettivamente, per righe e per colonne, ottenendo l'effetto della lettura righe colonne dai terminali di drain 12, con un solo canale di lettura, ma impiegando più tempo {n x n x Tread, dove Treadè il tempo per leggere/resettare un sotto-SiPM).

Non è escluso, ulteriormente, che la lettura righe/colonne delle singole microcelle fotosensibili 4, attuata mediante il dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell'invenzione, possa essere implementato in un modo differente rispetto a quelli descritti sopra.

Come accennato in precedenza, una seconda forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione è rappresentata in fig.

8 ove è indicato con 100.

Tale dispositivo fotomoltiplicatore 100, si distingue rispetto a quanto precedentemente descritto per la prima forma esecutiva, per il fatto che ciascuna microcella fotosensibile 4, come si osserva in fig. 9, comprende inoltre un condensatore di estrazione 19 accoppiato al relativo fotodiodo a valanga 5 e configurato in modo da consentire la lettura, da un proprio primo terminale, del segnale di uscita Soutmediante la suddetta tecnica di accoppiamento capacitivo (AC coupling). Tale soluzione, vantaggiosamente consente di semplificare le operazioni di lettura, in particolare, riducendo significativamente l’eventuale interferenza tra il segnale di comando impulsato Sce il suddetto segnale di uscita Sout.

Preferibilmente, secondo la suddetta seconda forma esecutiva del dispositivo 100 dell’invenzione, tale condensatore di estrazione 19 è realizzato con tecnologia MOS, per cui tale terminale di lettura corrisponde all’armatura del suddetto condensatore 19 costituita dal così detto del lato conduttore 22 del MOS, mentre la seconda armatura del condensatore MOS di estrazione 19 è definita dal lato semiconduttore 20.

Preferibilmente il lato conduttore 22 è realizzato in materiale metallico. Non è escluso, tuttavia, che tale lato conduttore 22 possa essere realizzato, per esempio, in polisilicio o qualsiasi altro materiale purché conduttore.

Ancora più in dettaglio, il lato conduttore 22 del condensatore MOS di estrazione 19 è realizzato elettricamente isolato dal terminale di gate 13 del transistor MOS di reset 10.

Inoltre, il lato semiconduttore 20 del condensatore MOS di estrazione 19 corrisponde al terminale di raccolta 53 del fotodiodo 5, e quindi al terminale di source 11 del transistor MOS di reset 10.

Con tale approccio è possibile realizzare un transistor MOS di reset 10 relativamente piccolo, per indurre un ridotto disturbo, e un condensatore MOS di estrazione 19 di grandi dimensioni, per prelevare il più efficacemente possibile il segnale Sout· Opzionalmente, per ridurre il numero di connessioni verso l'esterno del dispositivo fotomoltiplicatore 1, il lato conduttore 22 del condensatore MOS di estrazione 19 e il terminale di drain 12 del transistor MOS di reset 10 possono essere collegati insieme. Infatti, il segnale Soutin AC scorre attraverso il condensatore MOS di estrazione 19 quando il reset non è attivo, mentre il segnale di comando Scdi reset scorre nel terminale di drain 12 durante il ciclo di reset e quindi i due segnali Soute Scrisultano separati temporalmente.

Ulteriormente, tale seconda forma esecutiva del dispositivo fotomoltiplicatore 1 dell’invenzione, prevede che, per ciascuna di dette microcelle fotosensibili 4, il lato conduttore 22 del condensatore MOS di estrazione 19 sia realizzato, come apparirà chiaro di seguito, lungo le linee di confine tra la stessa microcella fotosensibile 4 e la microcella fotosensibile adiacente 4.

Tale ultima caratteristiche del dispositivo fotomoltiplicatore 100 dell’invenzione, consente di sfruttare il lato conduttore 22 anche o esclusivamente, nel caso in cui non venga implementata la lettura del segnale Souttramite tale lato conduttore 22, come elemento di isolamento elettrico tra due microcelle fotosensibili 4 adiacenti.

In particolare, nel caso in cui il condensatore MOS 19 venga utilizzato esclusivamente per realizzare l'isolamento elettrico tra le varie microcelle fotosensibili 4 adiacenti e tra ciascuna di esse e il terminale di drain 13 del transistor di MOS 10, il lato semiconduttore 20 dello stesso condensatore MOS 19 potrebbe corrispondente, in alternativa a tale terminale di source 11 del suddetto transistor MOS 10, al suddetto terminale di drain 12.

In entrambi i casi, per attuare tale isolamento, il condensatore MOS 19 viene opportunamente polarizzato in DC, in modo da modificare il potenziale del silicio tra gli strati drogati sopra cui il lato conduttore 22 viene realizzato.

Tale implementazione dell'isolamento tra microcelle fotosensibile 4, vantaggiosamente, risulta maggiormente efficiente da un punto di vista dello spazio occupato, rispetto ad esempio alla nota tecnica detta in gergo di “p-stop”, nel caso della preferita forma esecutiva qui descritta secondo la quale le giunzioni p-n 15 del fotodiodo a valanga 5 sono realizzate con tecnologia n su p. Per inciso, nel caso alternativo in cui tali giunzioni p-n 15 venissero realizzate con tecnologia p su n, tale tecnica nota sarebbe del tipo “n-stop”. Per quanto riguarda ancora l'implementazione dell'isolamento mediante il suddetto condensatore MOS 19, essa risulta più economica rispetto alla suddetta tecnica di “p-stop” o “n-stop”.

Come nel caso del dispositivo fotomoltiplicatore 1 della prima forma esecutiva preferita, anche il dispositivo fotomoltiplicatore 100 dell’invenzione, al fine di mantenere elevato il valore del Fili Factor e allo stesso tempo ottenere tutti i vantaggi fino ad ora enunciati, comprende preferibilmente ma non necessariamente, una pluralità di gruppi 50 adiacenti di microcelle fotosensibili 4. In particolare, ciascuno dei suddetti gruppi 50, come si osserva secondo la vista topografica di fig. 10, comprende quattro microcelle fotosensibili 4 raggruppate all’interno di un’area quadrangolare A. In tale area quadrangolare A si individuano le giunzioni p-n 15 delle quattro microcelle fotosensibili 4 realizzate adiacenti a due a due in corrispondenza dei settori A1 definiti dall’intersezione di due assi D passanti nella stessa area quadrangolare A. Ciascuna delle giunzioni p-n 15, come già detto in precedenza, definisce il fotodiodo a valanga 5, i terminali di source 11 del transistor MOS di reset 10 e il lato semiconduttore 20 del condensatore MOS di estrazione 19 di una delle microcelle fotosensibili 4. Inoltre, anche in questo caso i terminali di drain 12 dei transistor MOS di reset 10, risultano realizzati come elemento unico definito nel punto P di intersezione dei suddetti due assi D. Ulteriormente, come si osserva sempre in fig. 10, il lato conduttore 22 del condensatore MOS di estrazione 19 di ciascuna delle microcelle fotosensibili 4 risulta realizzato in comune con la microcella fotosensibile 4 adiacente lungo la porzione di ciascun asse D interposto tra le relative due giunzioni p-n 15.

Tale implementazione, come detto in precedenza, vantaggiosamente, consente di utilizzare il suddetto condensatore MOS 19 per isolare le microcelle fotosensibili 4 adiacenti ed, inoltre, per isolare ciascuna di esse e il terminale di drain 12 del transistor MOS di reset 10 nelle zone, indicate in fig. 10 con B, in cui tra il fotodiodo a valanga 5 della microcella fotosensibile 4 e il suddetto terminale di drain 12 non è presente il terminale di gate 13 dello stesso transistor di reset 10. Per attuare tale isolamento, il condensatore MOS 19 viene opportunamente polarizzato in DC, in modo da modificare il potenziale del silicio tra gli strati drogati sopra cui il lato conduttore 22 viene realizzato.

Allo stesso modo il terminale di gate 13 del transistor MOS di reset 10 di ciascuna delle microcelle fotosensibile 4 è realizzato nello spazio definito all’interno del settore A1 della relativa giunzione p-n 15 tra le porzioni dei due assi D adiacenti e tra loro intersecate. Inoltre, ciascuno di tali terminali di gate 13 viene realizzato sovrapposto a detto substrato semiconduttore 3 tra il terminale di drain 12 e il terminale di source 11, e quindi il lato semiconduttore 20, della microcella fotosensibile 4.

Ancora una volta si vuole ribadire che, i vantaggi ottenuti con tale particolare struttura del gruppo 50 comprendente quattro microcelle fotosensibili 4 risultano indipendenti dalla struttura complessiva e dal particolare funzionamento del dispositivo fotomoltiplicatore 100 dell’invenzione, sopra descritto. Pertanto, anche in questo caso, tali caratteristiche del gruppo 50 potrebbe essere eventualmente oggetto di rivendicazione indipendentemente dalla struttura complessiva del dispositivo fotomoltiplicatore 100, oggetto della presente invenzione, e dal relativo metodo di controllo e funzionamento.

Come accennato in precedenza, fa parte dell’invenzione anche il metodo di controllo dei dispositivi fotomoltiplicatore 1 e 100 dell’invenzione, entrambi provvisti di un componente di interruzione 8 connesso in serie al fotodiodo a valanga 5 di ciascuna delle microcelle fotosensibili 4. Il metodo di controllo, secondo l’invenzione, prevede di comandare la commutazione simultanea dei suddetti componenti di interruzione 8 della pluralità di microcelle fotosensibili 4 dallo stato di interdizione a quello di conduzione, in modo da imporre la tensione di polarizzazione inversa desiderata tra il catodo 51 e l’anodo 52 di ciascuno di dei fotodiodi a valanga 5. Ulteriormente, in sequenza, il metodo dell’invenzione prevede di comandare la commutazione simultanea dei componenti di interruzione 8 della suddetta pluralità di microcelle fotosensibili 4 dallo stato di conduzione a quello di interdizione, in modo da isolare elettricamente ciascuno dei fotodiodi a valanga 5 dal primo elettrodo 6. In tale stato di polarizzazione inversa i fotodiodi a valanga 5, come descritto in precedenza, sono configurati per generare una corrente di valanga nel caso di impatto su di essi di uno o più fotoni F. Secondo il metodo dell’invenzione, tali due operazioni di commutazione in sequenza, definite in precedenza anche come fase di reset, vengono ripetute ad ogni periodo di tempo prestabiliti T, il cui valore è scelto opportunamente in base alle caratteristiche elettriche e alle esigenze di utilizzo del dispositivo fotomoltiplicatore 1 e 100.

In particolare, il metodo di controllo dell’invenzione prevede di eseguire tale fase di reset mediante l’applicazione di un segnale di comando impulsivo Sc, di periodo T, in ingresso ai terminali di gate 13, tra di loro in comune, dei transistor MOS di reset 10 del dispositivo fotomoltiplicatore 1 e 100 dell’invenzione.

Nel dettaglio, la commutazione dallo stato di interdizione a quello di conduzione è attuata in corrispondenza del fronte di salita dell’impulso del segnale di comando impulsivo Sc, mentre la commutazione dallo stato di conduzione allo stato di interdizione dei transistor MOS di reset 10 viene attuata in corrispondenza del fronte di discesa del medesimo impulso.

Considerando il fenomeno delle valanghe che avvengono durante il reset, come descritto in precedenza, un metodo per ridurne l’effetto sul dispositivo fotomoltiplicatore 1 e 100 consiste nel dividere il ciclo di reset, definito come il tempo in cui i componenti di interruzione 8 si trovano nello stato di conduzione, in due o più sotto-cicli più brevi, da effettuare in rapida sequenza, in modo da coprire la stessa durata del ciclo di reset. Il valore minimo dell’intera durata del ciclo di reset viene scelto a priori al fine di avere una ricarica completa dei fotodiodi a valanga 5. In questo modo, se una valanga si innesca su uno o più fotodiodi a valanga 5 durante un sotto-ciclo di reset, essa viene spenta, vantaggiosamente, alla fine dello stesso sotto-ciclo e non alla fine dell’intero ciclo di reset. Pertanto la durata media delle valanghe che si innescano durante il reset, vantaggiosamente, risulta ridotta e di conseguenza si riduce anche il numero medio di fotoni F emessi per ognuna di esse. Di conseguenza, viene altrettanto ridotta la probabilità che il suddetto fenomeno negativo spenga tutto il dispositivo fotomoltiplicatore 1 e 100, rendendolo insensibile ai fotoni F durante il periodo di reset T successivo.

Un metodo alternativo per ridurre l’effetto delle valanghe che avvengono durante il reset consiste nell’aggiungere, in ogni microcella fotosensibile 4, un secondo componente di interruzione 30, come si osserva in fig. 13, tra il primo componente di interruzione 8, rappresentato nelle figg. 2 e 3 e il primo elettrodo 6 ed un condensatore 60 connesso con una propria prima armatura tra i suddetti due componenti di interruzione 8 e 30. In questa configurazione, la fase di reset avviene secondo quanto descritto di seguito. Inizialmente i componenti di interruzione 8 e 30 sono nello stato di interdizione. Successivamente, il componente di interruzione 30 viene fatto commutare dallo stato di interdizione a quello di conduzione, caricando il condensatore 60 alla tensione di reset, che corrisponde alla polarizzazione da imporre al terminale di raccolta 53 del fotodiodo 5. In una fase successiva il componente di interruzione 30 viene nuovamente fatto commutare allo stato di interdizione e il componente di interruzione 8 viene fatto commutare a quello di conduzione, in modo che la carica immagazzinata sul condensatore 60 si trasferisca sul terminale di raccolta 53, ripristinando la suddetta tensione di polarizzazione. Durante il periodo di tempo T tra un ciclo di reset e il successivo, il componente di interruzione 30 può rimanere nello stato di conduzione, mantenendo il condensatore 60 carico alla tensione di reset. In questo modo tale condensatore 60 risulta già carico all'inizio del ciclo di reset successivo. In funzione del valore del condensatore 60, un singolo ciclo di reset potrebbe non essere sufficiente a ricaricare il terminale di raccolta 53 ad una tensione sufficientemente vicina a quella desiderata. In questo caso si può ripetere un numero n di sotto-cicli di reset sequenziali, fino ad ottenere la ricarica desiderata del terminale di raccolta 53. Con la suddetta implementazione rappresentata in fig. 13, nel caso in cui avvenisse una valanga mentre il componente di interruzione 8 risulta nello stato di conduzione, la stesse valanga verrebbe spenta in ogni caso, dato che il componente di interruzione 30 si trova nello stato di interdizione. Il guadagno è maggiore rispetto a quello di un evento “normale”, dato che la valanga scarica il condensatore 60 oltre alla capacità del fotodiodo 5, ma in generale è molto inferiore al guadagno che si avrebbe se la valanga che avviene durante il reset non venisse spenta.

Come si osserva sempre in fig. 13, una possibile implementazione del circuito prevede di realizzare entrambi i componenti di interruzione 8 e 30 con dei transistor MOS 10 e 30 implementati allo stesso modo in cui viene implementato il singolo transistor MOS di reset 10 rappresentato in fig. 6. In particolare, potrebbe essere utilizzato lo stesso strato n+ del fotodiodo 5 per implementare anche i terminali di source 11 e 31 e il terminale di drain 12 e 32 dei suddetti due transistor MOS 10 e 30. Nel caso del doppio transistor di reset, il terminale di source 11 relativo al transistor MOS 10 viene fuso con il terminale di raccolta 53 del fotodiodo 5, mentre il terminale di drain 12 dello stesso transistor MOS 10 viene fuso con il terminale di source 31 di transistor MOS 30, ottenendo, vantaggiosamente, una struttura molto compatta ed efficiente in termini di consumo di area. Il condensatore 60 può essere semplicemente la capacità del terminale di source 31 del transistor MOS 30 e del terminale di drain 12 di transistor MOS 10 verso massa.

II condensatore 60 ed il transistor MOS 30 possono anche essere condivisi tra gruppi di microcelle 4, allo scopo di risparmiare ulteriore area attiva e ottenere valori più grandi per il condensatore 60, che permettono un reset del fotodiodo 5 più completo per ogni sotto-ciclo di reset. Inoltre, condividendo il condensatore 60 tra più microcelle 4 di un medesimo gruppo, quelle microcelle 4 in cui non si è verificata una valanga nel periodo di reset T precedente risultano già polarizzate alla tensione di reset e la capacità dei loro fotodiodi 5 contribuisce, in parallelo al condensatore 60, alla ricarica dei fotodiodi 5 delle microcelle 4 che al contrario hanno commutato nel periodo di reset precedente.

Ritornando al metodo di controllo dell’Invenzione, come già affermato in precedenza, secondo una prima forma esecutiva preferita, prevede di estrarre il segnale comune di uscita Soutmediante l’attuazione della tecnica di accoppiamento capacitivo (AC coupling) sul terminale di gate 13 del transistor MOS di reset 10 o dal Back del dispositivo fotomoltiplicatore 1 e 100, oppure, nel caso del dispositivo fotomoltiplicatore 100, sul lato conduttore 22 del condensatore MOS di estrazione 19.

Non è escluso, tuttavia, che il metodo di controllo preveda di eseguire l’estrazione del segnale comune di uscita Soutmediante la tecnica di lettura in DC dal terminale di drain 12 del transistor MOS di reset 10. Quest’ultima implementazione consentirebbe di leggere la carica, ovvero il numero delle microcelle fotosensibili 4 in cui è avvenuta una valanga nel periodo T di reset, alla fine del suddetto periodo T, nelle modalità descritte in dettaglio in precedenza.

In base a quanto detto si comprende quindi che il dispositivo fotomoltiplicatore dell’invenzione e il relativo metodo di controllo raggiungono tutti gli scopi prefissati.

In particolare l’invenzione raggiunge lo scopo di realizzare un dispositivo fotomoltiplicatore di tipo analogico in grado di inibire in modo automatico e rapido, a seguito di una fase di ricarica dell’intera superficie fotosensibile, quelle microcelle fotosensibili considerate altamente rumorose, cioè con un elevato valore di “Dark Count Rate”. E’ raggiunto anche lo scopo di realizzare un dispositivo fotomoltiplicatore in grado di limitare, se non eliminare, il così detto fenomeno dell’”Afterpursing” nelle singole microcelle fotosensibili. Altro scopo raggiunto è la realizzazione di un dispositivo fotomoltiplicatore che permetta di incrementare il FF a parità di dimensioni della microcella fotosensibile rispetto ai dispositivi fotomoltiplicatori dell'arte nota, oppure permetta di ridurre le dimensioni delle microcelle fotosensibile, mantenendo un elevato valore di FF.

Ulteriormente, scopo raggiunto è la realizzazione di un dispositivo fotomoltiplicatore con una resa produttiva migliore rispetto ai dispositivi fotomoltiplicatori dell'arte nota in quanto dovuta ad un minor numero di scarti durante la produzione.

Infine è raggiunto lo scopo di realizzare un dispositivo fotomoltiplicatore di tipo analogico con integrate quelle caratteristiche strutturali e funzionali, proprie dei dispositivi fotomoltiplicatori digitali, che consentono di ottenere i vantaggi sopra definiti, pur mantenendo un costo di realizzazione inferiore rispetto a tali dispositivi digitali.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo fotomoltiplicatore a stato solido (SiPM) (1 ) per la rilevazione di uno o più fotoni (F) del tipo comprende una superficie sensibile (2) a detti fotoni (F) realizzata su un substrato a semiconduttore (3), detta superficie sensibile (2) essendo definita da una pluralità di microcelle fotosensibili (4) connesse tra loro in parallelo in modo da fornire in uscita un segnale comune analogico di uscita (Sout), ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4) comprendendo un fotodiodo a valanga (5) interposto tra un primo elettrodo (6) ed un secondo elettrodo (7) atti a fornire a detto fotodiodo a valanga (5) una tensione di polarizzazione inversa, caratterizzato dal fatto di prevedere per ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4) un componente di interruzione della continuità elettrica (8) interposto tra il terminale di raccolta (53) della carica della valanga di detto fotodiodo a valanga (5) e detto primo elettrodo (6), essendo detti componenti di interruzione (8) di detta pluralità di microcelle fotosensibili (4) configurati per commutare in modo simultaneo da uno stato di conduzione ad uno stato di interdizione o viceversa; 2) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto di prevedere per ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4) un componente di quenching (9) interposta tra detto componente di interruzione (8) e detto primo elettrodo (6); 3) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo elettrodo (6) e detto secondo elettrodo (7) sono in comune a detta pluralità di microcelle fotosensibili (4) in modo da fornire a detti fotodiodi a valanga (5) di detta pluralità microcelle fotosensibili (4) una comune tensione di polarizzazione inversa; 4) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ciascuno di detti componenti di interruzione (8) è un transistor MOS di reset (10) connesso con il proprio terminale di source (11) a detto terminale di raccolta (53) di detto fotodiodo a valanga (5) e con il proprio terminale di drain (12) a detto primo elettrodo (6), i terminali di gate (13) di detti transistor MOS di reset (10) di detta pluralità di microcelle fotosensibili (4) essendo connessi tra loro in comune ed essendo configurati per ricevere in ingresso un segnale di comando impulsivo (Sc) per la commutazione simultanea di detti transistor MOS di reset (10) da detto stato di conduzione a detto stato di interdizione o viceversa; 5) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4) è realizzata su detto substrato a semiconduttore (3) in cui sono definiti: - la giunzione p-n (15) di detto fotodiodo a valanga (5) definita da un primo strato (16) sottoposto a drogaggio di un primo tipo, p+ o n+, superiormente al quale è definito un secondo strato (17) sottoposto a drogaggio di tipo opposto, n+ o p+, rispetto a detto primo stato (16), detto secondo strato (17) fungendo sia da detto terminale di raccolta (53) di detto fotodiodo a valanga (5) sia da terminale di source (11 ) di detto transistor MOS di reset (10); - un terzo strato (18) realizzato distanziato da detta giunzione p-n (15) e sottoposto a drogaggio di tipo, n+ o p+, corrispondente a detto secondo strato (17) in modo da fungere da terminale di drain (12) di detto transistor MOS di reset (10); - il terminale di gate (13) di detto transistor MOS di reset (13) essendo realizzato sovrapposto a detto,substrato semiconduttore (3) tra detta giunzione p-n (15) e detto terzo strato (18). 6) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4 o 5, caratterizzato dal fatto che ciascuno di dette microcelle fotosensibili (4) comprende un condensatore MOS di estrazione (19) accoppiato a detto fotodiodo a valanga (5) e configurato per consentire l’estrazione di detto segnale di uscita (Sout) dal proprio lato conduttore (22) mediante la tecnica di accoppiamento capacitivo (AC coupling); 7) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che per ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4): - il lato semiconduttore (20) di detto condensatore MOS di estrazione (19) coincide con detto terminale di source (11) di detto transistor MOS di reset (10); - detto lato conduttore (22) di detto condensatore MOS di estrazione (19) è realizzato elettricamente isolato da detto terminale di gate (13) di detto transistor MOS di reset (10). 8) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che per ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4): - detto lato conduttore (22) di detto condensatore MOS di estrazione (19) è realizzato lungo le linee di confine tra detta microcella fotosensibile (4) e la microcella fotosensibile adiacente (4) e/o tra le giunzioni p-n (15) e il terminale di drain (13) del transistor di reset (10) di ciascuna di dette microcelle fotosensibili (4) in modo da fungere da elemento di isolamento elettrico. 9) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 4 o 5, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un gruppo (50) comprendente quattro di dette microcelle fotosensibili (4) raggruppate, secondo una vista topografica di detto gruppo (50), all’interno di un’area quadrangolare (A) in cui si individuano: - dette giunzioni p-n (15) realizzate adiacenti a due a due in corrispondenza dei settori (A1 ) definiti dall'intersezione di due assi (D) passanti internamente a detta area quadrangolare (A), ciascuna di dette giunzioni p-n (15) definendo detto fotodiodo a valanga (5) e detto terminale di source (11 ) di detto transistor MOS di reset (10) di una di dette microcelle fotosensibili (4); - detti terminali di drain (12) realizzati come elemento unico definito nel punto (P) di intersezione di detti due assi (D); - detti terminali di gate (13) connessi in comune tra di loro e realizzati sovrapposti a detto substrato a semiconduttore (3) tra detti terminali di drain (12) e detti terminali di source (11 ). 10) Dispositivo fotomoltiplicatore (1 ) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un gruppo (50) comprendente quattro di dette microcelle fotosensibili (4) raggruppate, secondo una vista topografica di detto gruppo (50), all’interno di un’area quadrangolare (A) in cui si individuano: - dette giunzioni p-n (15) realizzate adiacenti a due a due in corrispondenza dei settori (A1 ) definiti dall’intersezione di due assi (D) passanti all’interno di detta area quadrangolare (A), ciascuna di dette giunzioni p-n (15) definendo detto fotodiodo a valanga (5), detto terminale di source (11 ) di detti transistor MOS di reset (10) e detto lato semiconduttore (20) di detto condensatore di MOS di estrazione (19) di una di dette microcelle fotosensibili (4); - detti terminali di drain (12) di detti transistor MOS di reset(10) realizzati come elemento unico definito nel punto (P) di intersezione di detti due assi (D); - detto lato conduttore (22) del condensatore MOS di estrazione (19) di ciascuno di dette microcelle fotosensibili (4) realizzato in comune con la microcella fotosensibile (4) adiacente lungo la porzione di asse (D) interposta tra le relative due giunzioni p-n (15) e/o tra ciascuna di dette giunzioni p-n (15) e detto terminale di drain (13) di detto transistor di reset (10); - il terminale di gate (13) del transistor MOS di reset (10) di ciascuna di dette microcelle fotosensibile (4) realizzato nello spazio definito all’interno del settore (A1 ) della relativa giunzione p-n (15) tra detti due assi (D) adiacenti e tra loro intersecati. 11 ) Metodo di controllo di un dispositivo fotomoltiplicatore (1 ,100) del tipo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedente, caratterizzato dal fatto di prevedere le seguenti operazioni: - comandare la commutazione simultanea di detti componenti di interruzione (8) di detta pluralità di microcelle fotosensibili (4) da detto stato di interdizione a detto stato di conduzione in modo da ripristinare la polarizzazione inversa tra il catodo (51 ) e l’anodo (52) di ciascuno di detti fotodiodi a valanga (5). - comandare la commutazione simultanea di detti componenti di interruzione (8) di detta pluralità di microcelle fotosensibili (4) da detto stato di conduzione a detto stato di interdizione in modo da isolare elettricamente ciascuno di detti fotodiodi a valanga (5) da detto primo elettrodo (6), detti fotodiodi a valanga (5) essendo configurati per generare una corrente di valanga nel caso di impatto di uno o più di detti fotoni (F). - ripetere dette commutazioni ad ogni periodo di tempo prestabiliti (T). 12) Metodo di controllo secondo la rivendicazione 11 , caratterizzato dal fatto di comandare dette operazioni di commutazione mediante l’applicazione di un segnale di comando impulsivo (Sc) di periodo prestabiliti (T) in ingresso a detti terminali di gate (13), connessi tra di loro in comune, di detti transistor MOS di reset (10) del dispositivo fotomoltiplicatore (1 ,100) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 4 a 11 , essendo detta commutazione da detto stato di interdizione a detto stato di conduzione attuata in corrispondenza del fronte di salita dell’impulso di detto segnale di controllo impulsivo (Sc) ed essendo attuata detta commutazione da detto stato di conduzione a detto stato di interdizione in corrispondenza del fronte di discesa dell'impulso. 13) Metodo di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11 o 12, caratterizzato dal fatto che l’estrazione di detto segnale comune di uscita (Sout) è attuata mediante la tecnica di accoppiamento capacitivo (AC coupling) su detto terminale di gate (13) di detto transistor MOS di reset (10), o sul back di detto dispositivo fotomoltiplicatore (1 ,100) oppure su detto lato conduttore (22) di detto condensatore MOS di estrazione (19). 14) Metodo di controllo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11 o 12, caratterizzato dal fatto che l’estrazione di detto segnale comune di uscita (Sout) è attuata mediante la tecnica di lettura in DC da detto terminale di drain (11 ) di detto transistor MOS di reset (10) al termine di detto periodo di reset (T).