Caratterizzazione di SPAD in InGaAs/InP e studio dei coefficienti di ionizzazione del InP a basse temperature

Single-photon detection is earning greater importance when is necessary to acquire very weak signals, to the limit of just one photon. There are many types of Single-Photon Detectors having di erent working principles, thus being useful for di erent applications. Among these devices, there is the Single-Photon Avalanche Diode (SPAD), which is a diode designed to be biased beyond the breakdown voltage, forcing the triggering of a current pulse which can be detected by a comparator, every time that even a single photon is absorbed in the depleted zone. This device has all the advantages of being monolithic (low power, reliability, possibility to build arrays). To sense light in the infra-red spectrum it is necessary to use low gap semiconductors (Eg < 0.8 eV ). One choice usually taken is using heterostructures made with layers of InGaAs and InP, such the Devices Under Test used in this work. Multiplication process takes place in InP zone, and plays a great role in the SPAD features. All these considerations underline the importance of the best knowledge of the parameters determining the triggering transient of avalanches. These parameters are ionization coe cients, strongly dependent on electric eld and temperature. Previous measurements of these parameters did not agree on the results, and were usually measured for electric elds and temperatures not of concern for InGaAs/InP SPAD operation. Therefore in this work new accurate measurements were made to reach reliable values in SPAD regions of interest. Finally a new characterization of SPADs was started, by varing their active area diameter. This led to new types of investigations, done to reach a deeper understanding on how SPAD gures of merit scales moving towards high ll factor arrays or larger sensitive area devices. Moreover one of the measurement techniques developed in this work can be employed to study the rst part of the avalanche build-up mechanism, i.e. from the formation of the rst seed to its spreading over the active area.

In un numero sempre crescente di applicazioni è necessario misurare segnali luminosi molto deboli, no a livello di singoli fotoni.Per questo tipo di misure si possono usare diversi tipi di sensori, tra cui i Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD), che hanno tutti i vantaggi dei dispositivi monolitici (robustezza, basse tensioni di alimentazione, possibilità di costruire matrici). Per le numerose applicazioni nello spettro del vicino infrarosso ( >; 900nm),è necessario fare uso di semiconduttori con basso gap energetico (meno di 0:8 eV ). La scelta più comune in questo ambito è l'utilizzo di eterostrutture di InGaAs e InP, che sono state oggetto del lavoro di questa tesi. Il funzionamento degli SPAD si fonda sulla ionizzazione a impatto, che determina la formazione delle valanghe che costituiscono il segnale osservabile in uscita dal dispositivo. Questo processo sico è descritto dai coe cienti di ionizzazione, che sono quindi un elemento importante da conoscere per progettare al meglio i dispositivi. Tuttavia le misure precedenti dei coe cienti di ionizzazione del InP non sono concordi tra loro e non hanno mai coperto le regioni di campo elettrico e di temperatura in cui di solito vengono operati gli SPAD. Il lavoro svolto in questa tesi è innanzitutto la determinazione esatta di questi coe cienti di ionizzazione, eseguendo misure sugli SPAD progettati nello SpadLab del Politecnico di Milano. Un secondo argomento sviluppato è stato lo studio dell'andamento delle caratteristiche degli SPAD in funzione del diametro, dal momento che alcune applicazioni richiedono una maggiore area attiva per poter catturare una maggior quantità di luce. E' stata messa a punto anche una nuova tecnica di misurazione che permette di valutare il comportamento della valanga nei primi istanti dall'attivazione, compreso l'allargamento in tutto lo SPAD.