Design di sensori microelettronici innovativi -...

16 Marzo 2007- Fiera della Microelettronica, Vicenza. Atti del convegno: “Microsistemi e sensori microelettronici per nuove applicazioni industriali”

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Intervento dal titolo

Design di sensori microelettronici innovativi

A cura di

Gian-Franco Dalla Betta Dipartimento di Informatica e Telecomunicazioni (DIT)

Università degli Studi di Trento


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DESIGN DI SENSORI MICROELETTRONICI INNOVATIVI

Lo sviluppo di sensori microelettronici innovativi, a partire dall’idea fino alla realizzazione di prototipi dimostrativi, rappresenta la principale attività di ricerca del gruppo Nano- & Micro-Systems (NMS) del DIT presso l’Università di Trento, con particolare enfasi sui sensori ottici e dei rivelatori di radiazioni. Su queste ed altre tematiche inerenti sensori e microsistemi in silicio il gruppo opera da oltre un decennio, in stretta collaborazione con la Fondazione Bruno Kessler – Centro per la Ricerca Scientifica e Tecnologica (irst). Il progetto di un microsensore è intrinsicamente una attività che coinvolge diverse competenze. A partire da specifiche funzionali, vincoli operativi e di costo, il progetto richiede conoscenze su materiali e tecnologie di microfabbricazione e di packaging, sulla fisica/chimica dei dispositivi, sull’elettronica (prevalentemente analogica) di lettura e condizionamento dei segnali, ecc. In questo contesto, particolare importanza rivestono le simulazioni numeriche di processo e dispositivo (il cosidetto Technological CAD), grazie alle quali è possibile analizzare accuratamente il comportamento fisico dei sensori e correlarne direttamente le prestazioni ai parametri geometrici/tecnologici di progetto, giungendo all’ottimizzazione del design (e della tecnologia, qualora questa sia modificabile) limitando sia i tempi che i costi di fabbricazione. In questo intervento, verranno descritte le metodologie di progettazione di sensori innovativi, trattando nel dettaglio a titolo esemplificativo due diverse implementazioni di fotosensori basati su diodi a valanga a singolo fotone (SPAD). Pur trattandosi di un dispositivo inventato negli anni ’60, solo recentemente ne è stata dimostrata la fattibilità in tecnologie CMOS standard, fatto che ha aperto la strada all’implementazione di matrici lineari e bidimensionali di SPAD con elettronica integrata. Sullo stesso concetto base, ma sviluppando allo scopo una tecnologia completamente dedicata, si basa inoltre il fotomoltiplicatore in silicio (SiPM), che consiste in una matrice bidimensionale di pixel, composti da uno SPAD con resistenza serie di quenching integrata, aventi i terminali cortocircuitati tra loro in modo da ripristinare un funzionamento di tipo analogico a partire da un dispositivo per sua natura digitale (il segnale è proporzionale al numero di singoli pixel colpiti da un fotone). Entrambe le tipologie di dispositivi offrono interessanti prospettive applicative in svariati ambiti, tra i quali la microscopia di luminescenza, l’analisi di decadimenti di fluorescenza, il testing ottico di circuiti ad alta velocità, le misure di distanza (imaging 3D), la fisica medica, ecc. Il confronto tra i suddetti casi di studio permette di evidenziare le diversi esigenze progettuali derivanti dall’adottare una tecnologia CMOS commerciale piuttosto che una tecnologia full custom, e di sottolinearne rispettivi vantaggi e svantaggi nell’ottica del progettista. Verranno inoltre brevemente accennati altri esempi di sensori ed attuatori di cui il gruppo NMS si sta attualmente occupando.

Contatti:

Gian-Franco Dalla Betta Dipartimento di Informatica e Telecomunicazioni (DIT) Università degli Studi di Trento Via Sommarive, 14, 38050 Povo di Trento (TN) Tel.: (+39) 0461 883904 Fax: (+39) 0461 882093 Email: [email protected] Web: http://dit.unitn.it/people/uinfo?id=296


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Vicenza, 16/03/2007G.-F. Dalla Betta

Gian-Franco Dalla Betta

Research Program Nano and Micro Systems (NMS)Dipartimento di Informatica e Telecomunicazioni (DIT)

Università degli Studi di TrentoVia Sommarive, 14 – 38050 Povo di Trento (TN)

([email protected])

Design di sensori microelettronici innovativi


Sommario

• Gruppo NMS: ricerca e didattica• Design e simulazioni• Case study: fotorivelatori innovativi

– Tecnologia CMOS– Tecnologia dedicata

• Altri esempi• Conclusioni


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Ricerca nel gruppo NMS• Sviluppo di sensori in silicio e MEMS, dall’idea

fino al prototipo, in stretta collaborazione con FBK-irst, attraverso:– Design e Layout– Simulazione e modellistica– Caratterizzazione elettrica e funzionale– Progetto di circuiti analogici di interfaccia

• Principali settori di interesse: – sensori ottici– rivelatori di radiazioni


Didattica e formazione avanzata• Corsi di Laurea e di Laurea Specialistica in Ingegneria delle

Telecomunicazioni e Ingegneria dei Materiali• Scuola di Dottorato di Ricerca Internazionale in Information

& Communication Technology (dal 2001)http://www.ict.unitn.it

• Master di 2° Livello in Nano e MicrosistemiElettromeccanici (dal 2006)http://www.nanomicro.it


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Design di sensori innovativi

SENSORE FULL CUSTOM

PackagingCircuiti diinterfaccia

Materialie tecnologie

Fisica(Chimica) dei dispositivi

A partire da specifiche, vincoli operativi e di costo


Flowchart

DeviceDevice simulationssimulations

Device design

Process Process simulationssimulations

Process design

Fabrication& Testing

Product specifications

?

Compact modelsCompact models

Circuit designCircuit design

Circuit simulations Circuit simulations

LayoutLayout

Full custom technology


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TCAD(Technological Computer Aided Design)

• Accurata analisi del comportamento fisico dei dispositivi • Correlazione diretta tra prestazioni e parametri

geometrici/tecnologici• Ottimizzazione di design (e tecnologia) limitando tempi

e costi di fabbricazione• Strumento “predittivo” e/o “diagnostico

La qualità dei risultati richiede comunque adeguatofeedback sperimentale e (auspicabilmente) accesso alletecnologie


Fotorivelatori innovativibasati su SPAD

(Single Photon Avalanche Diode)• SPADFotodiodo polarizzatooltre la tensione dibreakdown (Geiger mode) con quenching

• Sensibilità al singolofotone !

• Il concetto del dispositivo risale aglianni ’60, ma …


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... nuove configurazioni (e applicazioni)

1) Array lineari e matrici 2D di SPAD:- in tecnologia CMOS (imagers)- in tecnologia dedicata (SiPM)

2) Applicazioni:– Microscopia di luminescenza– Analisi di decadimenti di fluorescenza– Testing ottico di circuiti ad alta velocità– Misure di distanza (imaging 3D)– Fisica medica– …


SPAD in tecnologie CMOS

High Voltage technology

Standard Technology

Problema: evitare breakdown ai bordi


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Test SPAD 0.8 μm HV CMOSDiametro: 100 μmBreakdown voltage: 26.8 V

Pixel SPAD: diametro 5 μm dark count rate < 1 kHz Responsività molto bassa


Pixel attivo

Time-measuring modeGated photon-counting mode


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Misure di distanza

Precisione migliore di ±0.75% nel range 2-5 m


CMOS SPAD 3-D imager

A B

Immagini 2-D e 3-D ottenute tramite TOF diretto (A) e indiretto (B) con array di pixel basati su SPAD


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Decadimento fluorescenza

0

500

1000

1500

2000

10 15 20 25 30 35 40 45

Time [ns]

Coun

ts

Fluoroforo-dark

Fit double exp


Silicon PhotoMultiplierIl singolo SPAD non fornisceinformazioni sull’intensità della luce

Silicon PhotoMultiplier (SiPM): matrice bidimensionale di SPAD con resistenze di quenching connessi in parallelo

Il segnale in uscita é proporzionale al numero di pixel colpiti (dinamica = numero totale di pixel).

Q = Q1 + Q2 = 2*Q1

substrate

metal

Alternativa a PMT

625 celle

1mm

1mm


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Positron Emission Tomography (PET)

• Coincidenza tra 2 raggi γ “back-to-back” (scintillatore luce blu)

• Richiede: sensibilità, risoluzione ~1mm, velocità SiPMSiPM


Sviluppo congiuntodi tecnologia e design …

Shallow-Junction SiPM

Key issues:1) Substrate: p-type epitaxial2) Very thin n+ layer 3) Poly-Si quenching resistance4) ARC optimized for λ~420nm5) Trenches

p+ subst.

π epi

n+

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20

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4depth (um)

Dop

ing

conc

. (10

^) [1

/cm

^3]

0E+00

1E+05

2E+05

3E+05

4E+05

5E+05

6E+05

7E+05

E fie

ld (V

/cm

)

DopingField

n+ p

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19

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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4depth (um)

Dop

ing

conc

. (10

^) [1

/cm

^3]

0E+00

1E+05

2E+05

3E+05

4E+05

5E+05

6E+05

7E+05

E fie

ld (V

/cm

)

DopingField

n+ p

cell1 cell2


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… migliori caratteristiche

0.0E+00

2.0E+05

4.0E+05

6.0E+05

8.0E+05

1.0E+06

1.2E+06

1.4E+06

1.6E+06

1.8E+06

2.0E+06

31 32 33 34 35 36Bias Voltage (V)

Gai

n

30

40

50

60

70

80

90

100

110

300 400 500 600 700 800 900

wavelengths (nm)

QE

%0V-1V-2V-3V-4V -5V

GUADAGNO

EFFICIENZA QUANTICA


Test funzionali

QDC Channels0 200 400 600 800 1000 1200

histEntries 20000Mean 397.2RMS 169.2

QDC Channels0 200 400 600 800 1000 1200

Co

un

ts

0

200

400

600

800

1000

1200

histEntries 20000Mean 397.2RMS 169.2

2Si_PD_33_5V

T=22oCΔV=2V

1pe

2pe

FWHM ~ 21%

SiPM + scintillatore (420nm)Spettro da sorgente 22Na (γ 511keV)

Spettro da LED blua bassa intensità


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Symmetric Toggle RF-Switch• Broadband TLC apps.• Low actuation voltage (<10V) • High isolation (>40dB)

Design, modeling and functional testing by “time domain” capacitance measurements


Sensori di gas

Gas inlet and outlet

Oxide Charge@Interface

Blue sensitive photosensors coated with Metalloporphyrins

0.5% ethanol sensitivity


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VDDVOUT VADD

p-well

VRES

n-substrate

n-channel n-channel

p+ p+ p+n+n+n+ n+

Pixel attivi per imaging X

Pixelmatrix

Pixel

DDS

J2

J1 M1 RES

4 mm

6 m

m

235 μm

235

μm


Conclusioni

• Il gruppo NMS presso il DIT, Università diTrento, ha esperienza pluriennale nel design e nella modellistica di sensori

• La stretta collaborazione con FBK-irst e OptoIMicroelectronics e l’accesso a tecnologie difabbricazione e di packaging avanzateforniscono le condizioni ideali per lo sviluppo disensori innovativi ed opportunità uniche in questo settore a livello italiano.

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