ES2339643T3 - Detector de radiacion electromagnetica asistido por corriente de portadores mayoritarios. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo detector para la detección de radiación electromagnética incidente sobre un sustrato (10), generando la radiación electromagnética incidente pares de portadores mayoritarios (h+) y minoritarios (e-) en el sustrato (10), comprendiendo el dispositivo detector al menos una región fuente de corriente (13, 14) y al menos una región de drenaje de corriente (12, 15), medios (25, 26) para generar una corriente de portador mayoritario (19) en el sustrato (10), entre la al menos una región fuente de corriente (13, 14) y la al menos una región de drenaje de corriente (12, 15), estando la corriente de portador mayoritario (19) asociada a un campo eléctrico, y al menos una zona de agotamiento de una unión (18) para recoger portadores minoritarios (e-) generados, estando los portadores minoritarios (e-) dirigidos hacia la al menos una zona de agotamiento de la unión (18) bajo la influencia del campo eléctrico asociado a la corriente de portador mayoritario (19).

Description

Detector de radiación electromagnética asistido por corriente de portadores mayoritarios.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al campo de la detección de radiación electromagnética que genera portadores minoritarios en un sustrato semiconductor, tal como por ejemplo, aunque sin limitación, detección de luz visible e infrarroja. Más particularmente, la presente invención se refiere a la detección de radiación electromagnética en un sustrato y más específicamente en la aplicación de una corriente de portadores mayoritarios para dirigir cargas de portadores minoritarios foto-generadas hacia una región de detección, así como a un aparato para ello.

Antecedentes técnicos de la invención

El documento US-6157035 describe cómo puede construirse un detector rápido en una tecnología CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico) convencional. Una máscara de sombra proporciona una modulación espacial a la luz incidente, y por consiguiente de la luz absorbida en el sustrato semiconductor. Mediante la medida de la magnitud del componente de frecuencia espacial en la distribución del portador minoritario con una frecuencia espacial correspondiente a la de la máscara de sombra, se proporciona un detector rápido. Por la presente se mejora la velocidad, pero a cambio de una pérdida de sensibilidad.

Los documentos WO 98/10255 y WO 99/60629 muestran métodos y dispositivos correspondientes para determinar la fase y/o amplitud de la luz modulada incidente. Estas estructuras de píxeles se denominan mezcladores fotónicos. Estas estructuras son útiles para fabricar cámaras telemétricas dando información de profundidad o en 3D, como se explica en estas solicitudes de patente. Aplicando un voltaje de modulación sobre dos células fotoeléctricas, los portadores minoritarios generados en el sustrato llegan preferentemente a una de dos zonas de acumulación del detector. En el documento WO 98/10255, estas zonas de acumulación son pozos de potencial, creados por un voltaje sobre una compuerta de acumulación adyacente. En el documento WO 99/60629, estas zonas de acumulación son uniones pn. Existen, sin embargo, dos deficiencias principales con estos mezcladores fotónicos. En primer lugar, para la luz que se absorbe más profundamente en el sustrato, los portadores minoritarios generados tendrán que difundirse hacia la superficie antes de que las células fotoeléctricas de modulación puedan redirigir a estos portadores hacia las zonas de acumulación de destino. Este proceso de difusión en una distancia de 5 a 20 \mum limita la velocidad con la que puede conseguirse la desmodulación. En segundo lugar, el porcentaje de portadores minoritarios detectados que alcanzan efectivamente la zona de acumulación objetivo está lejos del óptimo.

El documento US-2002/140045 describe un componente semiconductor sensible a la luz que consta de píxeles, en el que se proporcionan n zonas de puntos dopadas en la superficie de una región de canal dopada p. Las zonas de puntos de un píxel están conectadas eléctricamente entre sí por medio de cables y a un cable colector. Las zonas de puntos forman diodos semiconductores conectados en paralelo, con lo que los portadores de carga minoritarios que se generan mediante la incidencia de la luz en la región del canal pueden detectarse después de haberse desplazado a las zonas de puntos mediante difusión.

En el documento EP-0883187 se describe un detector para radiación basado en un semiconductor, con una pequeña barrera entre el volumen sensible a la radiación en el semiconductor y las regiones y uniones con circuitos de lectura y sin ninguna o con una barrera más baja entre el sustrato semiconductor y las regiones y uniones adaptadas y destinadas a recoger los portadores de carga generados por radiación en el sustrato semiconductor. Los portadores de carga se mueven en la estructura mediante difusión.

El documento WO 02/33817 se refiere a un proceso para detectar y procesar la amplitud y la fase de ondas de señal. Una onda de señal incidente entra entre los electrodos de lectura al material semiconductor fotosensible, en el mismo, y genera fotohuecos y fotolectrones. Se aplica una señal de modulación a los electrodos y, dependiendo de la fase/polaridad de la señal en los electrodos, las fotocargas son leídas por los electrodos.

Sumario de la invención

La presente invención pretende proporcionar una nueva estructura foto-detectora que tiene un área de detección de unión pn que puede ser de un orden de magnitud más pequeño en área que el área sensible a la luz efectiva, rebajando de este modo considerablemente la capacitancia de la unión pn de detección. Además, es también un objeto de la invención proporcionar un método de recogida de portadores foto-generados que están presentes profundamente en el sustrato, de manera rápida, para obtener un detector rápido y sensible.

Otro objeto de la invención es proporcionar una estructura y método de mezclador fotónico que tiene dos o más salidas del detector, y mediante lo cual los portadores minoritarios fotogenerados son recogidos en una salida del detector diana. Un objeto por la presente es conseguir esto de manera muy eficaz, con alta discriminación y eficacia cuántica. También se pretende conseguir un ancho de banda de alta detección y alta velocidad de conmutación entre salidas del detector especificadas.

Los anteriores objetivos se consiguen mediante un método y un dispositivo de acuerdo con la presente invención.

En un aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo detector para la detección de radiación electromagnética que incide sobre un sustrato, generando la radiación electromagnética incidente pares de portadores mayoritarios y minoritarios en el sustrato. El dispositivo detector comprende al menos una región fuente de corriente y al menos una región de drenaje de corriente, medios para generar una corriente de portador mayoritario en el sustrato entre la al menos una región fuente de corriente y la al menos una región de drenaje de corriente, estando el portador mayoritario asociado a un campo eléctrico y al menos una zona de agotamiento de una unión para recoger portadores minoritarios generados, estando los portadores minoritarios dirigidos hacia la al menos una zona de de agotamiento de la unión, bajo la influencia del campo eléctrico asociado a la corriente de portador mayoritario.

La al menos una región fuente de corriente puede estar situada entre la al menos una región de drenaje de corriente y la al menos una zona de agotamiento de la unión. Como alternativa, la al menos una zona de agotamiento de la unión puede estar situada entre la al menos una región fuente de corriente y la al menos una región de drenaje de corriente. La región fuente de corriente, la región de drenaje de corriente y la zona de agotamiento pueden estar situadas sustancialmente en el mismo plano. Con "sustancialmente en el mismo plano" se entiende que tienen, por ejemplo, una superficie superior en el mismo plano, puesto que un plano es bidimensional y por definición no tiene grosor, mientras que la región fuente de corriente, la región de drenaje de corriente y la zona de agotamiento son estructuras tridimensionales. La región fuente de corriente, la región de drenaje de corriente y la zona de agotamiento pueden estar situadas en la superficie del sustrato del dispositivo detector.

La región fuente de corriente puede tener forma anular en el plano del sustrato. Además, la región de drenaje de corriente puede tener forma anular en el plano del sustrato.

Un dispositivo detector de acuerdo con la presente invención puede comprender además medios de lectura para leer los portadores minoritarios recogidos en la zona de agotamiento. Los medios de lectura pueden comprender un amplificador de transimpedancia.

En un dispositivo detector de acuerdo con la presente invención, los portadores minoritarios que hayan alcanzado la al menos una región fuente de corriente pueden desplazarse hacia la al menos una zona de agotamiento mediante difusión.

El área sensible de un detector de acuerdo con la presente invención puede ser sustancialmente mayor que el área de la al menos una zona de agotamiento.

Un dispositivo detector de acuerdo con la presente invención puede ser un mezclador fotónico. Los medios para generar la corriente de portador mayoritario pueden ser reconfigurables, para ser capaces de generar la corriente de portador mayoritario en al menos una primera dirección o una segunda dirección diferente de la primera dirección. La segunda dirección puede ser opuesta a la primera dirección.

En un segundo aspecto, la presente invención proporciona el uso de un detector de acuerdo con la presente invención en una aplicación de telemetría de tiempo de vuelo.

En un tercer aspecto, la presente invención proporciona un método para la detección de radiación electromagnética que incide sobre un sustrato, generando la radiación electromagnética incidente pares de portadores mayoritarios y minoritarios en el sustrato. El método comprende generar una corriente de portador mayoritario en el sustrato entre al menos una región fuente de corriente y al menos una región de drenaje de corriente, y dirigir a los portadores minoritarios generados hacia una zona de agotamiento de una unión, bajo la influencia de la corriente de portador mayoritario generada.

El método puede comprender además recoger los portadores minoritarios en la zona de agotamiento, y leer los portadores minoritarios recogidos en la zona de agotamiento.

Un método de acuerdo con la presente invención puede comprender además generar la corriente de portador mayoritario para generar al menos en primer lugar la corriente de portador mayoritario en una primera dirección y para dirigir a los portadores minoritarios generados hacia una primera zona de agotamiento, y a partir de ese momento generar la corriente de portador mayoritario en una segunda dirección, siendo la segunda dirección diferente con respecto a la primera dirección, para dirigir de este modo a los portadores minoritarios generados hacia una segunda zona de agotamiento. La segunda dirección puede ser opuesta a la primera dirección.

Éstas y otras características, elementos y ventajas de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada, tomada junto con los dibujos adjuntos, que ilustran, a modo de ejemplo, los principios de la invención. Esta descripción se da como ejemplo solamente, sin limitar el alcance de la invención. Las cifras de referencia que se dan a continuación se refieren a los dibujos adjuntos.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1A muestra una vista superior de un foto-detector de acuerdo con una primera realización de la presente invención.

La figura 1B muestra una sección transversal a lo largo de la línea I-I' del detector ilustrado en la figura 1A.

La figura 2A muestra un boceto esquemático simplificado de la vista superior del foto-detector de la figura 1A.

Las figuras 2B, 2C, 2D y 2E muestran realizaciones alternativas, concretamente las realizaciones segunda a quinta, de la presente invención usando el principio de representación simplificada como en la figura 2A.

La figura 3A muestra una vista superior de una realización de una estructura de mezclador fotónico, mediante la cual una corriente de portadores mayoritarios aplicada determina qué electrones foto-generados se dirigen hacia una unión pn de detección.

La figura 3B muestra una sección transversal de la estructura de mezclador fotónico de la figura 3A en la misma condición de corriente.

La figura 3C muestra una sección transversal de la estructura de mezclador fotónico de la figura 3A, mediante la cual la corriente de portadores mayoritarios se invierte, determinando de este modo qué portadores minoritarios foto-generados se dirigen hacia otra unión pn de detección.

Las figuras 4A y 4B muestran bocetos simplificados de la vista superior de la estructura de mezclador fotónico de la figura 3A, con las condiciones de corriente de portadores mayoritarios de la figura 3A y la figura 3C, respectivamente.

Las figuras 4C y 4D muestran una realización alternativa de una estructura de mezclador fotónico, usando la representación simplificada como en las figuras 4A y 4B.

La figura 4E muestra otra realización más de una estructura de mezclador fotónico que tiene cuatro condiciones de corriente de portadores mayoritarios que pueden aplicarse, mediante la cual para cada condición los electrones se dirigen hacia una conexión de salida del mezclador diferente. Solamente se muestran una condición de corriente y un nivel de polarización.

En las diferentes figuras, las mismas cifras de referencia se refieren a los mismos elementos o a elementos análogos.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se describirá con respecto a realizaciones particulares y en referencia a algunos dibujos, pero la invención no se limita a esto, sino que solamente está limitada por las reivindicaciones. Los dibujos descritos son solamente esquemáticos y no son limitantes. En los dibujos, el tamaño de algunos de los elementos puede estar exagerado y no dibujado a escala para fines ilustrativos. Las dimensiones y las dimensiones relativas no corresponden a reducciones reales para poner en práctica la invención.

Debe observarse que la expresión "que comprende", usada en las reivindicaciones, no debe interpretarse como que está restringido a los medios que se enumeran a continuación. Por lo tanto, el alcance de la expresión "un dispositivo que comprende medios A y B" no debe limitarse a dispositivos constituidos solamente por los componentes A y B. Esto significa que, con respecto a la presente invención, los componentes más relevantes del dispositivo son A y B.

Análogamente, debe observarse que el término "acoplado" no debe interpretarse como que está restringido a conexiones directas solamente. Por lo tanto, el alcance de la expresión "un dispositivo A acoplado a un dispositivo B" no debe limitarse a dispositivos o sistemas en los que una salida del dispositivo A está conectada directamente a una entrada del dispositivo B. Esto significa que existe una ruta entre una salida de A y una entrada de B que puede ser una ruta que incluye otros dispositivos o medios.

Además, los términos primer, segundo, tercero y similares en la descripción y en las reivindicaciones, se usan para distinguir entre elementos similares y no necesariamente para describir un orden secuencial o cronológico. Debe entenderse que los términos usados de este modo son intercambiables en circunstancias apropiadas y que las realizaciones de la invención descritas en este documento son capaces de operar en otras secuencias diferentes de las que se describen o se ilustran en este documento.

La invención se describirá mediante una descripción detallada de varias realizaciones de la invención. Está claro que pueden configurarse otras realizaciones de la invención de acuerdo con el conocimiento de expertos en la materia sin alejarse del auténtico espíritu o enseñanza técnica de la invención, estando la invención limitada solamente por los términos de las reivindicaciones adjuntas. Estará claro para un experto en la materia que la presente invención es también aplicable a dispositivos similares que pueden configurarse en cualquier tecnología de transistores, incluyendo por ejemplo, aunque sin limitarse a, tecnología CMOS, BICMOS, BICMOS Bipolar y SiGe.

Además, los descubrimientos de la presente invención se explican en referencia a un sustrato p^{-} como ejemplo, pero la presente invención incluye dentro de su alcance un dispositivo complementario mediante el cual las regiones p y n se vuelven regiones n y p, respectivamente. Un experto en la materia puede hacer dichas modificaciones sin alejarse del auténtico espíritu de la invención.

La figura 1A muestra una vista superior de una primera realización de un fotodetector de acuerdo con la presente invención. Las fuentes 25 y 26 inyectan corriente en los contactos 21 y 23 respectivamente, y drenan corriente en los contactos 20 y 24 respectivamente. Los contactos 20, 21, 23 y 24 se conectan mediante conducción óhmica a regiones altamente dopadas que tienen un primer tipo de conductividad, por ejemplo, regiones p^{+} 12, 13, 14 y 15 respectivamente. En un sustrato resistivo, ligeramente dopado que tiene el primer tipo de conductividad, por ejemplo sustrato p^{-} 10, una corriente de portador mayoritario, en el caso de un sustrato que es un sustrato p^{-}, una corriente de huecos 19 fluirá desde la región 13 hasta la región 12, y desde la región 14 hasta la región 15. La línea I-I' en la figura 1A muestra donde se realiza la sección transversal para la figura 1B. En la figura 1B, la corriente de huecos portadores mayoritarios 19 se muestra mediante líneas continuas, mediante las que la dirección de la corriente de huecos 19 se indica mediante flechas. En el sustrato 10, donde típicamente se considera que el dopaje es constante, la corriente de portadores mayoritarios 19 se asocia a un campo eléctrico, en la dirección de la corriente. Si una radiación electromagnética incidente tal como luz en forma de un fotón 16 incide dentro de un área sensible 34 del detector, la energía asociada al fotón 16 es absorbida por el sustrato 10, y tiene lugar una reacción que genera un par hueco-electrón, en cierta posición. En el ejemplo ilustrado en la figura 1B, el fotón 16 cae en la parte derecha del área sensible 34. En la figura 1B, como ejemplo, se considera que la generación del par hueco-electrón se produce en la ubicación indicada con un asterisco: "*". El par hueco-electrón e^{-}/h^{+} será separado por el campo eléctrico que está presente y que se asocia al flujo de corriente de huecos portadores mayoritarios 19. El portador mayoritario del par hueco-electrón e^{-}/h^{+}, en el presente ejemplo el hueco h^{+}, se volverá indistinguible del "mar" de portadores mayoritarios, huecos en este ejemplo, de la corriente de huecos portadores mayoritarios que fluye 19, y seguirá por ejemplo la trayectoria 30. El portador minoritario del par hueco-electrón, concretamente en el ejemplo dado el electrón e^{-}, por el contrario, se moverá en la dirección opuesta (debido a su carga negativa), impulsado por el mismo campo eléctrico asociado al flujo de corriente de portadores mayoritarios 19 y sufre colisiones con fotones, generando una trayectoria errática, como la trayectoria 29. Esta trayectoria errática 29 tiene, sin embargo, un componente general que es opuesto al flujo de corriente de portadores mayoritarios 19 de los huecos, que dirige al electrón e^{-} hacia la región p^{+} 14. El componente general en el movimiento se debe a la deriva en base al campo eléctrico presente asociado al flujo de corriente de portadores mayoritarios 19, y el comportamiento errático se debe a la difusión, en base a colisiones con fotones. Muy cerca de la región 14, está provista una unión pn de detección 18. El portador minoritario, electrón e^{-}, que está dirigido hacia la región 14, tendrá grandes posibilidades de alcanzar la zona de agotamiento de esta unión 18, y de ser detectado debido a su comportamiento errático (o difusividad).

Esto formará entonces parte de la fotocorriente que se extrae del detector a través de la región altamente conductora (es decir región altamente dopada) que tiene un segundo tipo de conductividad, por ejemplo la región n^{+} 17, a través del contacto 22, conectado al circuito de lectura 27. El circuito de lectura 27 es típicamente un amplificador de transimpedancia, y estará típicamente integrado en el mismo sustrato 10 que el detector, evitando de este modo el empaquetado de elementos parásitos. Para mantener baja la capacitancia de la unión por unidad de área, la unión pn de detección 18 se sitúa preferentemente entre un pozo poco dopado del segundo tipo de conductividad, pozo n 33, y el sustrato del primer tipo de conductividad, sustrato p^{-} 10. En el interior del pozo n 33, preferentemente, se añade una región n^{+} 17 para hacer a la varilla detectora formada por la región n^{+} 17 y al pozo n 33 más conductor. Puesto que la capacitancia de la unión por unidad de área se mantienen baja, los circuitos conectados al foto-detector y optimizados para este foto-detector con baja capacitancia pueden alcanzar una proporción de salida señal con respecto a ruido considerablemente mejor y/o características de velocidad mejoradas.

El pozo n 33 debe estar situado cerca de las fuentes de corriente de huecos 13 y 14 para aumentar las probabilidades y la velocidad con la que los electrones se difundirán en el pozo n 33 a través de la unión pn de detección 18, y, por lo tanto, para aumentar la sensibilidad del detector. Los contactos óhmicos sirven en general como centros de recombinación eficaces para portadores minoritarios, así que los contactos óhmicos solamente están presentes preferentemente de forma muy localizada, por ejemplo en una esquina de las regiones p^{+} 13 y 14, como los contactos óhmicos 21 y 23 como se ilustra en la figura 1A. Si dicho contacto óhmico estuviera presente en una parte sustancial de estas regiones p^{+} 13 y 14, los portadores minoritarios, electrones en el ejemplo dado, se recombinarían probablemente en estos contactos óhmicos extendidos, en lugar de difundirse hacia la unión pn de detección 18.

En resumen, los fotones incidentes como el fotón 16 son absorbidos en el sustrato 10. El campo eléctrico asociado al flujo de corriente de portadores mayoritarios 19 hará que los portadores minoritarios fotogenerados (que son electrones en el ejemplo dado) deriven en la dirección opuesta al flujo de corriente de portadores mayoritarios 19, es decir hacia las regiones fuente 14 y 13 de esta corriente de portadores mayoritarios 19. Por difusión, finalmente los electrones llegan a la región n^{+} 17 y forman la corriente detectora que va al circuito de lectura 27. Además de los fotones, como el fotón del ejemplo 16, una pequeña fracción de los fotones incidentes será absorbida directamente en la varilla de detección 17 (región del pozo n 33), sin que se requiera el campo eléctrico asociado a la corriente de portadores mayoritarios 19 para el transporte.

De esta manera, la región sensible a los fotones incidentes se vuelve tan grande como la región 34 que se ilustra en la figura 1A y en la figura 1B, mientras que la varilla de detección 17 (región del pozo n 33) solamente tiene una pequeña capacitancia debido a su limitada área de la varilla. Esto puede ser un orden de magnitud más pequeño que cuando toda el área sensible 34 se cubriera con una unión pn. Este efecto tiene beneficios similares a enfocar un ancho haz de luz incidente a través de una lente sobre un área foto-detectora pequeña. De hecho, el método y sistema de la presente invención puede denominarse como una "lente electrónica" para un fotodetector. El ancho área sensible 34, junto con la unión pn de área pequeña 18 para la detección de los portadores minoritarios, mejora eficazmente la proporción de señal respecto a ruido alcanzable. Además, al tener un área sensible más grande 34, el alineamiento de los medios de entrada de luz con el área sensible requerirá una menor precisión, rebajando los costes de fabricación o la precisión del conector (en el caso de conexiones repetibles).

La velocidad con la que los electrones alcanzan la varilla de detección 17 depende de la magnitud del campo eléctrico que está asociado a la corriente de huecos portadores mayoritarios 19. Un experto en la materia puede usar simuladores de dispositivo (como ATLAS de Silvaco o MEDICI de Synopsys) y otros medios de cálculo o de tanteo para determinar el campo que debe aplicarse para alcanzar cierta velocidad. En general, cuanto mayor sea el voltaje de las fuentes 25 y 26, mayor será la velocidad. Un voltaje de 2 V da una distancia de trayectoria de 20 \mum, un retardo de aproximadamente 5 ns para el movimiento de electrones minoritarios en un sustrato de silicio 10. Con un voltaje de 2 V y un área detectora sensible de 40 \mum x 40 \mum, puede obtenerse una velocidad de aproximadamente 100 MHz en CMOS convencional. La corriente de portadores mayoritarios requerida 19 depende del área, la distancia entre, y la anchura y longitud de las regiones 12, 13, 14 y 15. Con los sustratos de CMOS típicos 10 con una resistividad de 20 ohm x cm, y el área y voltaje mencionados anteriormente, una corriente asistente de aproximadamente 400 \muA fluiría con un voltaje aplicado de 2 voltios en las fuentes 25 y 26. Con sustratos altamente resistivos 10, esta corriente asistente puede hacerse muy pequeña. Los sustratos de silicio altamente resistivos que tienen una resistividad de 1000 ohm x cm actualmente no son inhabituales, rebajando la corriente hasta incluso 8 pA, a aproximadamente la misma velocidad (puesto que la distribución del campo eléctrico seguiría siendo más o menos la misma).

Además, cuando la varilla fuente de corriente de portadores mayoritarios 13 y la varilla de drenaje de corriente de portadores mayoritarios 12 están separadas por 20 \mum, siendo ésta la distancia en la dirección X como se muestra en la figura 1A, la profundidad a la que los portadores siguen experimentando un campo razonable debido a la corriente de portadores mayoritarios 19 está a aproximadamente un nivel de profundidad D de 20 \mum (en la dirección Z - véase la figura 1B) desde la parte superior del sustrato 10. Esto aumenta la eficacia cuántica global del detector, especialmente en casos en los que la luz penetra profundamente en el sustrato, como con luz que tiene una longitud de onda de 860 nm. En este caso, La generación del par hueco-electrón también se produce a una profundidad de 20 micrómetros. La tecnología CMOS convencional típicamente sólo ofrece uniones poco profundas de hasta 2 micrómetros de profundidad. La luz absorbida a 20 micrómetros es difícil de capturar por las uniones, puesto que los portadores minoritarios generados tienen que difundirse en primer lugar hasta esta unión poco profunda antes de ser detectados y convertirse en parte de una foto-corriente a través de los terminales del detector.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, el circuito de lectura 27 puede comprender un amplificador de transimpedancia. Un amplificador de transimpedancia comprende típicamente un amplificador operacional (opamp) 31 y una resistencia de retroacción 32. Éste se usa para convertir una corriente de entrada en un voltaje de salida. Para un ancho de banda dado, el amplificador de transimpedancia 31, 32 puede estar diseñado para tener aproximadamente un aumento de transimpedancia 10 veces mayor, cuando se supone que una capacitancia del detector diez veces menos se vuelve posible. De esta manera, la sensibilidad global (es decir, el cambio de voltaje de salida en el nodo de salida 28 del circuito de lectura 27 por unidad de luz incidente) aumenta hasta un factor de 10. La proporción de señal respecto a ruido mejora también, en un factor de 3 a 10, dependiendo de si el ruido se debe principalmente al ruido de los transistores de entrada en el amplificador del amplificador de transimpedancia 31 o se debe a la resistencia de retroacción del amplificador de transimpedancia 32.

Puede usarse el enmascarado electromagnético tal como regiones metálicas 11 para evitar que la radiación electromagnética incidente, tal como la luz, penetre en áreas no deseadas. El área 11 en la figura 1A es un ejemplo de dicha área.

Preferentemente, hay que tener un cuidado además, para evitar que la unión pn de detección 18 tenga una polarización directa (o demasiado directa) mediante la aplicación del voltaje sobre las regiones fuente de corriente de portadores mayoritarios adyacentes 13 y 14.

Las figuras 2A a 2E muestran varias realizaciones de dispositivos de acuerdo con la presente invención. La figura 2A muestra una representación en vista superior esquemática simplificada del detector representado en la figura 1A, con la cual solamente se representa el subconjunto de elementos necesario. Las gruesas líneas continuas representan las regiones del primer tipo de conductividad, regiones p^{+} 12, 13, 14, 15, para aplicar la corriente de portadores mayoritarios. La gruesa línea discontinua representa la varilla detectora 17 en la región del pozo n 33. Los voltajes aplicados por las fuentes 25, 26 también se indican. El voltaje sobre la varilla detectora 17 es "Vdet". Este voltaje depende de cómo esté polarizado el amplificador de transimpedancia 31. Típicamente, este voltaje está a la mitad del voltaje de la fuente de energía. Para un voltaje de la fuente de energía de 5 V, Vdet es, por lo tanto, típicamente
de 2,5 V.

La figura 2B muestra una segunda realización de un detector de acuerdo con la presente invención. Éste comprende solamente una región fuente 40 para la inyección de la corriente de portadores mayoritarios 19, con, en cada lado de éste, una varilla detectora 41, 42. En la realización mostrada, la región fuente 40 se sitúa en el medio del dispositivo. Las varillas detectoras 41, 42 deben estar conectadas en paralelo. Esta configuración mejora la velocidad de la parte de difusión del proceso de detección, pero además dobla la capacitancia del detector, puesto que el número de varillas detectoras 41, 42 se dobla.

Las figuras 2C y 2D ilustran detectores de tipo rectangular.

Especialmente la realización de la figura 2C se considera un ejemplo de disposición preferida o mejor modo, puesto que en esta realización la capacitancia del detector se vuelve extremadamente baja. En lugar de usar una varilla detectora 17, que tiene, por ejemplo, una dimensión de 40 \mum x 3 \mum, existe una unión pn de detección 44 con un área que puede ser tan pequeña como del orden de solamente 3 \mum x 3 \mum, mientras que el área de entrada sensible a la luz sigue siendo de 50 \mum x 50 \mum. Una región fuente de corriente 43, que puede ser anular con una forma rectangular en vista superior, como se ilustra en la figura 2C, rodea a la unión pn de detección 44. Regiones de drenaje de corriente 45 están separadas para la región fuente de corriente 43. Las regiones de drenaje de corriente 45 también pueden formar una región anular con una forma rectangular en vista superior, como se ilustra en la figura 2C. Como alternativa, no mostrada en los dibujos, no es necesario que las regiones de drenaje de corriente 45 se toquen entre sí, de modo que puedan proporcionarse diferentes regiones de drenaje de corriente 45. De la misma manera, pueden proporcionarse diferentes regiones fuente de corriente 43 alrededor de la unión pn de detección 44.

El detector de la tercera realización que se ilustra en la figura 2D tiene en el centro su región fuente de corriente 43, rodeada por una unión pn de detección 44. En este caso, la capacitancia del detector es algo mayor, puesto que el área de la unión pn de detección 44 es algo más grande, pero sigue siendo baja. Esta configuración mejora la velocidad de la parte de difusión del proceso de detección, puesto que la región fuente de corriente 43 está rodeada por la unión pn de detección 44.

La figura 2E muestra una quinta realización de un detector de acuerdo con la presente invención, en la que los portadores minoritarios, por ejemplo electrones, no son impulsados al centro, sino al borde del detector. En el medio, la región de drenaje de corriente 45 puede estar polarizada en un voltaje, negativo y bajo, de por ejemplo -10 V, sin obstaculizar el funcionamiento de circuitos fuera del detector. Esto se prefiere para mayores velocidades en el intervalo del GHz. La(s) región(es) fuera del primer tipo de conductividad, por ejemplo un anillo p^{+} 43 como en la figura 2E o diferentes regiones p^{+}, que suministra la corriente de huecos portadores mayoritarios 19 puede estar polarizada a un voltaje más alto que el voltaje negativo de la región de drenaje de corriente 45, a un voltaje alto, por ejemplo a 0 V o 2 V. Con estas corrientes de portadores mayoritarios 19 más fuertes aplicadas y, por lo tanto, campos eléctricos más fuertes, pueden obtenerse hasta velocidades del GHz, aún con una capacitancia del detector razonablemente
pequeña.

La estructura del dispositivo que se ilustra en la figura 3 usa los mismos principios que el detector de la figura 1, sin embargo, tiene otra función. Uno de los usos es en aplicaciones de telemetría de "tiempo de vuelo" (TOF). Los documentos de la técnica anterior WO 98/10255 y WO 99/60629 explican los principios generales de las mediciones del tiempo de vuelo para aplicaciones de telemetría. Una fuente de luz se modula a una frecuencia en el intervalo de 1 MHz a 1 GHz. La luz ilumina un objeto, o lugar, y parte de la luz reflejada entra en la cámara de telemetría a través de una lente enfocada. Midiendo en cada píxel la fase de la luz incidente, puede estimarse una distancia entre el píxel y el área de su píxel conjugado (que refleja la luz) en el lugar. De esta manera, las distancias de objetos y las formas de objetos pueden estimarse y registrarse.

El problema técnico en el tipo conocido de telémetros TOF es encontrar una manera de medir la fase de la luz reflejada de forma exacta. La exactitud de la fase está vinculada con la precisión de la estimación de la distancia. Cuanto mejor sea la proporción de señal respecto a ruido, menos ruido, y por lo tanto error, existe en la distancia estimada. Para este fin, puede calcularse que puede conseguirse un ruido bajo mezclando la luz incidente inmediatamente en el detector, en lugar de en un mezclador electrónico conectado. Un mezclador electrónico es una fuente inherente de ruido, debido a los transistores que tienen que funcionar a alta frecuencia y a corrientes de alta polarización y, por lo tanto, debe evitarse.

La figura 3A ilustra un mezclador fotónico de acuerdo con una realización de la presente invención, que mezcla radiación electromagnética incidente de amplitud modulada con una señal eléctrica aplicada al sustrato 10 mediante la fuente 25, y emite dos fotocorrientes eléctricas en los nodos de salida Mix1 y Mix2. La figura 3B muestra una sección transversal a través de la línea III-III' del dispositivo que se ilustra en la figura 3A. La señal eléctrica aplicada por la fuente 25, genera una corriente de portadores mayoritarios, por ejemplo corriente de huecos portadores mayoritarios 19, a través del sustrato 10. Los portadores minoritarios, como electrones en un sustrato p 10, sentirán el campo eléctrico que está asociado a la corriente de huecos portadores mayoritarios aplicada 19, y derivarán hacia una primera fuente de portadores mayoritarios, por ejemplo huecos, que es, en el ejemplo ilustrado, la región p^{+} 61. A continuación se difundirán en una primera región de detección adyacente, pozo n 67, y se convertirán en parte de la fotocorriente de salida del punto de conexión del mezclador izquierdo Mix1. Una posible trayectoria del electrón es la trayectoria 66, como se ilustra en la figura 3B.

Cuando el voltaje o señal eléctrica aplicada se invierte, como se ilustra en la figura 3C, la dirección del flujo de corriente de portadores mayoritarios se invierte, y los portadores minoritarios derivan hacia la región fuente complementaria, la varilla p^{+} 62. En adelante, la mayor parte de los portadores minoritarios, concretamente electrones, se difunden en la segunda región de detección, pozo n 68, convirtiéndose en parte de la fotocorriente de salida del punto de conexión del mezclador derecho MIX2. Una posible trayectoria del electrón es la trayectoria 69, como se muestra en la figura 3C.

Puede usarse el enmascarado electromagnético tal como áreas metálicas 60, para bloquear la luz no deseada que, de lo contrario, sería directamente incidente sobre las regiones de detección 67, 68.

Este mezclador fotónico tiene una alta eficacia. Ante todo, el campo eléctrico asociado a la corriente de portadores mayoritarios 19, que causa la deriva de los portadores minoritarios, concretamente electrones, en la dirección especificada puede penetrar profundamente en el sustrato 10. La profundidad depende en gran medida de la distancia en la dirección X, es decir paralela con la superficie del sustrato 10, entre las regiones p^{+} 61 y 62, como con el detector de la presente invención mencionado anteriormente. Cuanto mayor sea el píxel, es decir mayor sea la distancia entre las regiones p^{+} 61 y 62, más profundamente penetra la corriente de portadores mayoritarios 19 y, por lo tanto, más profundamente penetran los campos eléctricos asociados. Una distancia de 20 \mum entre las regiones 61 y 62 alojará una luz que penetra a aproximadamente 20 \mum de profundidad. Esto es útil para luz infrarroja con una longitud de onda de 860 nm en silicio. Una velocidad de conmutación y un retardo del tránsito del electrón del orden de nanosegundos es suficiente para muchas aplicaciones de telemetría. Cuando la corriente de portadores mayoritarios 19 penetra a la suficiente profundidad para una longitud de onda dada, puede esperarse además que la eficacia cuántica y la eficacia de discriminación estén próximas a las óptimas.

Las figuras 4A y 4B son representaciones esquemáticas simplificadas del mezclador fotónico que se ilustra en la figura 3A, para las dos condiciones de corriente de portadores mayoritarios de las figuras 3B y 3C. Las gruesas líneas continuas representan las regiones p^{+} 61, 62 para aplicar la corriente de portadores mayoritarios 19. Las gruesas líneas discontinuas representan varillas detectoras 63, 64 en regiones de detección 67, 68. También se indica un ejemplo voltajes aplicados.

Las figuras 4C y 4D representan una segunda realización de un mezclador fotónico de acuerdo con la presente invención, en dos condiciones de corriente de portadores mayoritarios diferentes. Este mezclador tiene además una región de drenaje de corriente, por ejemplo formada por un anillo p^{+} o una pluralidad de regiones p^{+} diferentes (no representadas en los dibujos), que rodea el área sensible 34, y que siempre está conectada a un voltaje bajo, por ejemplo GND (tierra) (0 V). Además hay dos varillas cortas 72, 73 del primer tipo de conductividad, por ejemplo varillas p^{+}, que están conectadas a un alto voltaje, por ejemplo 2 V, o desconectadas (flotando). En la figura 4C, La varilla corta izquierda 72 está conectada a alto voltaje, por ejemplo 2 V, y emite corriente al sustrato 10, generando líneas de corriente de una corriente de portadores mayoritarios 19 a dicho anillo p^{+} de salida 71 conectado al bajo voltaje, por ejemplo a tierra. Los portadores minoritarios, por ejemplo electrones, son impulsados por el campo asociado a estas líneas de corriente 19 hacia la varilla corta 72 a alto voltaje, por ejemplo 2 V. A continuación se difunden hasta una primera varilla de detección Mix1. La otra varilla corta p^{+} 73 se deja flotando (Alta impedancia = Hi-Z). Cuando se aplica el alto voltaje a la varilla corta p^{+} 73 en el anillo, y la varilla corta p^{+} 72 a la izquierda se deja flotando, los portadores minoritarios, electrones, son dirigidos a la varilla de detección Mix2 a la derecha.

Para realizar la estimación de fase típicamente se aplicaría una fuente de señal eléctrica oscilante 25 al mezclador fotónico que está en fase, y en adelante (o en un segundo mezclador fotónico), una que está retardada 90º en fase con respecto a la fase de la fuente de luz oscilante. Para medir los productos de mezclado, típicamente se reajustarían los terminales Mix1 y Mix2 a un alto voltaje por ejemplo 5 Voltios, y a continuación se aplicaría la fuente oscilante 25 al mezclador, y después de un periodo de acumulación de medición, se detendría esta oscilación para medir qué caídas del voltaje integrado en Mix1 y Mix2 se han producido. Estas caídas de voltaje son entonces un resultado de la acumulación de la foto-corriente en los nodos Mix1 y Mix2. El nodo común de caída de voltaje proporcionará a continuación una indicación del componente incidente de Corriente Continua (DC) de la luz, mientras que la diferente de voltaje entre Mix1 y Mix2 proporciona la parte del producto de mezclado que se usa para medir la fase y/o distancia efectiva. El documento WO 98/10255 puede consultarse para explicar los conceptos de mediciones de TOF, fase y amplitud con más detalle para aplicaciones de telemetría.

Además, para algunas configuraciones de medición, puede ser útil diseñar un mezclador fotónico que tenga más de dos terminales de salida del mezclador. El número de condiciones de corriente configurables tiene que adaptarse entonces al número de terminales de salida del mezclador. Un experto en la materia puede ampliar fácilmente los descubrimientos de esta patente para este fin.

La figura 4E muestra dicho mezclador fotónico, que tiene cuatro situaciones de corriente y cuatro salidas del mezclador. Con esta estructura puede esperarse una detección de fase más precisa, puesto que puede conseguirse un mezclado a 0, 90, 180 y 270 grados durante un mismo periodo de acumulación de medición y en la misma área sensible detectora. Para que esto funcione bien, posteriormente, esto se prefiere si cada región p^{+} se usa como entrada de corriente, por ejemplo polarizándola a un alto voltaje de, por ejemplo, 2 V, mientras que las otras 3 regiones p^{+} se mantienen a un voltaje bajo de, por ejemplo, 0 V. De esta manera, puede hacerse que la dirección de la corriente de portadores mayoritarios 19 en el medio del mezclador rote para cumplir con su fin de mezclado.

Además, un experto en la materia también puede diseñar otras configuraciones de corriente útiles diferentes de la de la figura 4E, sin alejarse del alcance de la presente invención. Por ejemplo, puede considerarse una condición de corriente en la que dos o más regiones p^{+} se usan simultáneamente como entrada de corriente.

Cuando se requiriera un gran foto-detector o mezclador fotónico para alguna aplicación, el experto en la materia puede considerar colocar dos o más detectores o mezcladores fotónicos de acuerdo con realizaciones de la presente invención en paralelo, aumentando de esta manera el área sensible hasta lo que sea necesario.

Claims (18)

1. Un dispositivo detector para la detección de radiación electromagnética incidente sobre un sustrato (10), generando la radiación electromagnética incidente pares de portadores mayoritarios (h^{+}) y minoritarios (e^{-}) en el sustrato (10), comprendiendo el dispositivo detector

al menos una región fuente de corriente (13, 14) y al menos una región de drenaje de corriente (12, 15),

medios (25, 26) para generar una corriente de portador mayoritario (19) en el sustrato (10), entre la al menos una región fuente de corriente (13, 14) y la al menos una región de drenaje de corriente (12, 15), estando la corriente de portador mayoritario (19) asociada a un campo eléctrico, y

al menos una zona de agotamiento de una unión (18) para recoger portadores minoritarios (e^{-}) generados, estando los portadores minoritarios (e^{-}) dirigidos hacia la al menos una zona de agotamiento de la unión (18) bajo la influencia del campo eléctrico asociado a la corriente de portador mayoritario (19).

2. Un dispositivo detector de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la al menos una región fuente de corriente (13, 14) está situada entre la al menos una región de drenaje de corriente (12, 15) y la al menos una zona de agotamiento de la unión (18).

3. Un dispositivo detector de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la al menos una zona de agotamiento de la unión (41, 42) está situada entre la al menos una región fuente de corriente (40) y a al menos una región de drenaje de corriente (12, 15).

4. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la región fuente de corriente (43) tiene forma anular en el plano del sustrato (10).

5. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la región de drenaje de corriente (45) tiene forma anular en el plano del sustrato (10).

6. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además medios de lectura (27) para leer los portadores minoritarios (e^{-}) recogidos en la zona de agotamiento de la unión (18).

7. Un dispositivo detector de acuerdo con la reivindicación 6, en el que el medio de lectura (27) comprende un amplificador de transimpedancia (31).

8. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, mediante el cual los portadores minoritarios (e^{-}) que han alcanzado la al menos una región fuente de corriente (13, 14) se desplazan hacia la al menos una zona de agotamiento de la unión (18) por difusión.

9. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, mediante el cual el área sensible (34) es sustancialmente mayor que el área de la al menos una zona de agotamiento de la unión (18).

10. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el dispositivo detector es un mezclador fotónico.

11. Un dispositivo detector de acuerdo con la reivindicación 10, en el que el medio (25, 26) para generar la corriente de portador mayoritario es reconfigurable, para ser capaz de generar la corriente de portador mayoritario (19) en al menos una primera dirección o una segunda dirección diferente de la primera dirección.

12. Un dispositivo detector de acuerdo con la reivindicación 11, en el que la segunda dirección es opuesta a la primera dirección.

13. Un dispositivo detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la región fuente de corriente (13, 14), la región de drenaje de corriente (12, 15) y la zona de agotamiento de la unión (18) están situadas sustancialmente en el mismo plano.

14. Uso de un detector de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en una aplicación de telemetría de tiempo de vuelo.

15. Un método para la detección de radiación electromagnética incidente sobre un sustrato (10), generando la radiación electromagnética incidente pares de portadores mayoritarios (h^{+}) y minoritarios (e^{-}) en el sustrato (10), comprendiendo el método generar una corriente de portador mayoritario (19) en el sustrato (10) entre al menos una región fuente de corriente (13, 14) y al menos una región de drenaje de corriente (12, 15), estando la corriente de portador mayoritario (19) asociada a un campo eléctrico, y dirigir portadores minoritarios generados hacia una zona de agotamiento de la unión (18) bajo la influencia del campo eléctrico asociado a la corriente de portador mayoritario generada (19).

16. Un método de acuerdo con la reivindicación 15, que comprende además recoger los portadores minoritarios (e^{-}) en la zona de agotamiento de la unión (18).

17. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, que comprende además leer los portadores minoritarios (e^{-}) recogidos en la zona de agotamiento de la unión (18).

18. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, que comprende además: generar la corriente de portador mayoritario (19) para generar en primer lugar al menos la corriente de portador mayoritario (19) en una primera dirección y para dirigir los portadores minoritarios generados hacia una primera zona de agotamiento de la unión, y en adelante generar la corriente de portador mayoritario (19) en una segunda dirección, siendo la segunda dirección diferente con respecto a la primera dirección, para dirigir de este modo a los portadores minoritarios generados hacia una segunda zona de agotamiento de la unión.