ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2022
2021/2022
Negli ultimi anni si è vista l'ascesa dei Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) come la soluzione più interessante per applicazioni di Single Photon Counting (SPC) e di Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC): tra le varie soluzioni esistenti gli SPAD in silicio sono una delle più adottate grazie alla loro affidabilità, all'elevata efficienza di rivelazione e alla possibilità di operare a temperatura ambiente oppure leggermente sotto gli 0 °C. Tuttavia il silicio, a causa del suo elevato gap energetico, non rappresenta la migliore soluzione per il rivelamento nel vicino infrarosso, e nel corso degli anni sono state studiate diverse soluzioni al problema: tra queste i RE-SPAD, sviluppati per la prima volta da Gulinatti nel 2012, rappresentano la soluzione più attraente tra i dispositivi che combinano elevate prestazioni temporali e un buon rivelamento nel vicino infrarosso.
L'obiettivo principale di questo lavoro è stato lo sviluppo di un sistema automatizzato e facilmente adattabile per la caratterizzazione a livello di wafer di molteplici proprietà degli SPAD. Grazie a questo sistema è stato possibile eseguire una caratterizzazione su larga scala di thin SPAD realizzati dal nostro gruppo di ricerca presso la Cornell NanoScale Science and Technology Facility nel 2017. Dopodichè il lavoro si è sviluppato lungo due vie: da un lato è stata effettuata una prima analisi dei difetti all'interno del dispositivo, basata sulla misura dei conteggi di buio rispetto alla sovratensione e sul modello di generazione dei portatori sviluppato da Vincent, Chantre e Bois. Questo rappresenta un primo passo verso la formulazione di un modello matematico dei conteggi di buio rispetto alla sovratensione negli SPAD. Dall'altro lato una collaborazione con Andrea Bonzi ha permesso un notevole miglioramento delle simulazioni TCAD dei thin SPAD: alcune misure della capacità al variare della tensione applicata sono state utilizzate per aggiustare in maniera iterativa il profilo di drogaggio delle simulazioni di processo del dispositivo. Questo lavoro ha portato a un miglioramento significativo dell'accuratezza delle simulazioni del campo elettrico e della tensione di breakdown, e verrà in futuro adattato per essere utilizzato su altre strutture, come i citati RE-SPAD.
Recent years have seen the rise of Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) as the most appealing solution for Single Photon Counting (SPC) and Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC) applications: in the variety of existing solutions, silicon SPADs represent one of the preferred choices thanks to their high reliability, high Photon Detection Efficiency (PDE) and the possibility of operating the detector at room temperature or moderately cooled slightly below 0 °C. Anyway silicon, due to its high energy gap, does not represent the best solution for NIR detection, and many solutions throughout the years have been studied: among them RE-SPADs, first developed by Gulinatti in 2012 represent the most appealing one when looking for great temporal response combined with good NIR detection.
The main focus of this work was the development of a flexible, automated setup for wafer-level characterization of multiple SPAD properties. Thanks to this setup, it was possible to perform an extensive characterization of some thin SPADs fabricated by our research group at the Cornell NanoScale Science and Technology Facility in 2017. Then the work developed on two different paths: on one hand a first analysis of the defects inside the device has been carried out, based on Dark Count Rate (DCR) measurements with respect to the overvoltage and on the generation model proposed by Vincent, Chantre and Bois. This represents a first step toward the formulation of a mathematical model of the DCR with respect to the overvoltage in SPADs. On the other hand a collaboration with Andrea Bonzi allowed a remarkable improvement of TCAD simulations of thin SPADs: capacitance vs voltage (CV) measurements were used to iteratively adjust the doping profile obtained from process simulations. This lead to a significant improvement in the accuracy of electric field and breakdown simulations and will be extended to other SPAD structures like the aforementioned RE-SPADs.