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
16 Marzo 2007- Fiera della Microelettronica, Vicenza. Atti del convegno: “Microsistemi e sensori microelettronici per nuove applicazioni industriali”
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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)
Design di sensori microelettronici innovativi
Vicenza, 16/03/2007G.-F. Dalla Betta
Sommario
• Gruppo NMS: ricerca e didattica• Design e simulazioni• Case study: fotorivelatori innovativi
– Tecnologia CMOS– Tecnologia dedicata
• Altri esempi• Conclusioni
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Vicenza, 16/03/2007G.-F. Dalla Betta
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
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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
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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
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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– …
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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
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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
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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
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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
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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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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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0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4depth (um)
Dop
ing
conc
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^) [1
/cm
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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
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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
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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
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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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