Finora abbiamo esaminato fotodiodi nei quali l’assorbimento dell’energia luminosa e l’eventuale moltiplicazione a valanga dei fotoportatori avvengono confinate nella stessa regione. Esistono, tuttavia, dispositivi nei quali l’assorbimento e la moltiplicazione sono spazialmente separate, per cui ciascuno strato è ottimizzato a svolgere una determinata funzione (regione di assorbimento A, regione di moltiplicazione M, ecc….). Cominciamo con il
presentare la struttura in silicio n+/p/π/p+. In figura 102 riportiamo la topologia base degli strati e gli andamenti
spaziali di densità di carica totale ρ(x), campo elettrico ε(x), potenziale V(x) e diagramma a bande, nell’ipotesi di
equilibrio, ovvero in assenza di polarizzazione (π indica un layer p- cresciuto mediante epitassia).
Fotodiodo a valanga di tipo SAM costruito in silicio, realizzato mediante la struttura n+/p/π/p+, in condizione di equilibrio, cioè non
polarizzato. Riportiamo gli andamenti spaziali della densità di carica totale ρ(x), del campo elettrico ε(x), del potenziale V(x) ed il diagramma a bande di energia.
La carica spaziale a destra dell’interfaccia π/p+ è dovuta allo svuotamento di lacune, mentre il relativo accumulo
(a sinistra) non è stato evidenziato, in quanto lo spazio da questo occupato è inessenziale. Ora polarizziamo inversamente la struttura e sottoponiamola ad illuminazione, come mostrato in figura 103.
Fig. 103
Fotodiodo a valanga di tipo SAM al silicio, realizzato mediante la struttura n+/p/π/p+, in condizione di polarizzazione inversa (V < 0) e
sottoposto ad illuminazione. Riportiamo gli andamenti spaziali della densità di carica totale ρ(x), del campo elettrico ε(x), che è aumentato a causa della polarizzazione imposta sui terminali, del potenziale V(x) e del diagramma a bande di energia: in quest’ultimo il livello dell’energia di Fermi è disallineato di una quantità di energia pari a q|V|.
La struttura presenta una configurazione del tutto comune. Abbiamo, da destra verso sinistra:
un substrato p+ abbastanza sottile, che deve presentare una superficie quanto più perfetta possibile, da
un punto di vista reticolare
una deposizione epitassiale di silicio leggermente drogato di tipo p (π), di spessore 4 – 5 µm, che
costituisce la zona di assorbimento A. È questa la ragione per cui la suddetta superficie p+ deve essere
trattata ad hoc, dal momento che l’orientamento cristallografico di π, durante la crescita, è pesantemente influenzato da quello superficiale di p+.
un layer p spesso circa 1 µm, che costituisce la zona di moltiplicazione M, ricavato o con locale diffusione termica di boro o per epitassia
uno strato n+, ricavato per diffusione termica, con spessore dell’ordine di 100 – 200 nm
Quest’ultimo layer deve essere così sottile per favorire la trasmissione dell’intensit{ luminosa attraverso il materiale, così che questa possa raggiungere lo strato π. Inoltre l’elevato livello di drogaggio (di tipo n) favorisce l’attenuazione, qui quasi totale, della componente diffusiva della corrente, consentendo un’alta velocità di risposta. È possibile, tecnologicamente, ottenere una giunzione n+/p così poco profonda utilizzando l’arsenico
come drogante n, mediante una diffusione termica di arsite (chiamata anche arsina) ASH3. Infatti, invocando il
modello “a sfere rigide” delle strutture cristalline, si ottiene che il raggio tetraedrico dell’As è lo stesso di quello
del Si (1.175 A°) e maggiore di quello del P (depositabile mediante diffusione di fosfina PH3), per cui l’As diffonde
con più difficolt{ del P, all’interno della matrice cristallina del Si (DAs < DP per qualunque temperatura tipica per
la diffusione, ovvero l’energia di attivazione di Arrenius dell’arsenico è maggiore di quella del fosforo). Sopra a n+
deve essere deposto sia il contatto metallico superiore, possibilmente integrato a forma di corona, al fine di massimizzare la superficie di silicio illuminabile, sia uno strato antiriflettente, ad esempio di ossido. Una sezione ipersemplificata del dispositivo può essere quella mostrata in figura 104.
Fig. 104
Rappresentazione semplificata della sezione del SAM – APD al silicio, collegato al circuito esterno di polarizzazione e lettura.
La maggior parte dei fotoni, una volta superato lo strato n+, può essere assorbita sia in quello p che in quello π,
ma è preferibile che l’assorbimento avvenga in quest’ultimo, per cui il suo spessore è molto maggiore (di quattro o cinque volte) rispetto a quello di p. La motivazione, intuitivamente, può essere compresa tenendo conto che il Si, per radiazioni luminose incidenti appartenenti al vicino infrarosso NIR, al visibile ed al vicino ultravioletto, possiede un rapporto di ionizzazione Ka di circa 0.02, ovvero αe >> αh: pertanto la moltiplicazione a valanga è
tutta dovuta agli elettroni. Ciò, oltre ad assicurarci un F(M) abbastanza piccolo (bassa rumorosità anche per M grande), ci fa capire che se la maggior parte dei fotoni interagisse col Si presso x = 0 (figura 103), la gran parte della profondità della zona a campo elevato sarebbe sfruttata dalla specie di portatori altamente inibita alla moltiplicazione per impatto ionizzante, cioè le lacune, mentre gli elettroni, che dovrebbero generare la
moltiplicazione a valanga, avrebbero a disposizione solo una piccola regione di M (la zona di moltiplicazione) per produrre eventi ionizzanti. Dunque è necessario che i fotoni vengano assorbiti nei pressi di x = d, in modo che gli elettroni, muovendosi verso sinistra, abbiano tutta la zona M, in cui ε > εbreakdown, per innescare la valanga.
Il fatto che le lacune, muovendosi verso destra, non inneschino valanghe, dal momento che ε ε0 < εbreakdown, non
è penalizzante, dato che queste sono comunque inibite alla moltiplicazione, in quanto αh è molto piccolo. Per
giunta è vantaggioso che ε0 sia inferiore a εBD: se così non fosse, cioè se |V| fosse troppo grande, si avrebbe un
piegamento delle bande tale da provocare le correnti di tunnel, sostenute da portatori che nulla hanno a che fare con l’evento luminoso. Un simile breakdown (Zener) sovrasterebbe il fotosegnale, rendendone impossibile la
lettura. Questo pericolo è tanto più concreto quanto maggiore è la concentrazione di donatori in n+ (ciò fissa il
limite superiore per Nd). Dunque, riferendoci sempre alla figura 103, è chiara la convenienza di assegnare la quasi
totalit{ dell’assorbimento alla zona A (la regione π è completamente svuotata, il più povera possibile di impurezze metalliche e cresciuta con epitassia lenta ed accurata): le fotolacune si dirigono verso il bulk p+, i
fotoelettroni verso quello n+ e, passando attraverso la zona M, innescano la valanga che conferisce guadagno al
sistema.