Temporal response modeling and extraction of defect levels in single-photon avalanche diodes

Single-Photon Avalanche Diode is a device whose distinguished features have come to a great appreciation by the scientific and industrial community. It has provided novel solutions for medical applications as FLIM, fluorescence spectroscopy, DNA microscopy, to name a few. It can be used also for quantum communication and quantum computing. By all means, the device is continually evolving and finding its application in many areas of production and science. Temporal response has come to be as one of the key features of the device, along with Photon Detection Efficiency (PDE). Consequently, large part of the research has been driven in investigating its limitations. Best in class performance is found in thin SPADs, although more recently a Red-Enhanced SPAD has been engineered showing an excellent temporal jitter of 100 ps maintaining a PDE of 40\% at 800 nm of wavelength. The need for an accurate modeling has led to the development of a simulator. An existing model has been completed with the addition of new effects in the device. For that purpose, build-up and lateral propagation of the avalanche were modeled as a Gaussian contribution with FWHM corresponding to the value obtained with experimental measurements. Another missing element in the model description was the space-charge region transit time, which was added to achieve higher accuracy. Improvements in the code speed are attained by means of preallocation and parallelization techniques which have resulted in an improvement in the code speed of a factor 3.5. Further improvements in the code speed are obtained for the case of a back-side illuminated structure. Finally, future code development is eased with the implementation of performance reports. As a result, full simulator for the temporal response with optimized performance was developed. Second part of the thesis is devoted to exploring one of the main sources of noise in SPADs that are limiting for further improvements in device parameters: afterpulsing phenomena. Source of afterpulsing is found in deep impurity levels in the device whose identification would allow improvements in the production process (custom gettering, etc.). The afterpulsing can be measured calculating the autocorrelation function on the timestamping data coming from an experimental setup specifically developed in our laboratory. Defect time constants were modeled with two exponentials using nonlinear regression: the obtained fitting demonstrates the existence of two defects but with an inaccuracy in the model coefficients. Therefore, we resorted to one exponential model and we extracted the fast time constant with an accurate estimation. Finally, we accounted for the electric field effect on the emission rate adopting the Coulomb defect well and as a result we have obtained the deep level parameters: energy level, electric field and cross section. Accuracy of results should be tested in future with additional measurements.

Il Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) è un dispositivo le cui caratteristiche distintive sono state apprezzate dalla comunità scientifica e industriale. Ha fornito nuove soluzioni per applicazioni mediche come FLIM, spettroscopia a fluorescenza, microscopia del DNA, per citarne alcune. Può essere utilizzato anche per la comunicazione quantistica e il calcolo quantistico. In ogni modo il dispositivo è in continua evoluzione e trova applicazione in molte aree di produzione e scienza. La risposta temporale è diventata una delle caratteristiche fondamentali del dispositivo, insieme all'efficienza di rivelazione dei fotoni (PDE). Di conseguenza, gran parte della ricerca è stata indotta a studiare le sue limitazioni. Le migliori prestazioni si trovano negli SPAD sottili, sebbene più recentemente sia stato progettato uno SPAD Red-Enhanced che mostra un jitter temporale eccellente di 100 ps mantenendo una PDE del 40% a 800 nm di lunghezza d'onda. La necessità di una modellizzazione accurata ha portato allo sviluppo di un simulatore. Un modello esistente è stato completato con l'aggiunta di nuovi effetti nel dispositivo. A tal fine, la crescita e la propagazione laterale della valanga sono stati modellati come un contributo Gaussiano con FWHM corrispondente al valore ottenuto con misure sperimentali. Un altro elemento mancante nella descrizione del modello è stato il tempo di transito della regione di carica spaziale, che è stato aggiunto per ottenere una maggiore precisione. Miglioramenti della velocità del codice sono raggiunti mediante tecniche di preallocazione e parallelizzazione che hanno portato in un miglioramento della velocità di codice di un fattore 3.5. Ulteriori miglioramenti nella velocità del codice sono ottenuti per il caso di una struttura back-side illuminated. Infine, lo sviluppo del codice futuro viene facilitato con l'implementazione di rapporti di performance. Di conseguenza, è stato sviluppato un simulatore completo per la risposta temporale con prestazioni ottimizzate. La seconda parte della tesi è dedicata all'esplorazione di una delle principali fonti di rumore in SPAD che limitano ulteriori miglioramenti nei parametri del dispositivo: i fenomeni di afterpulsing. L'origine dell'afterpulsing si trova nei livelli di impurità profonde nel dispositivo la cui identificazione consentirebbe miglioramenti nel processo di produzione (custom gettering, ecc.). L'afterpulsing può essere misurato calcolando la funzione di autocorrelazione sui dati di timestamping provenienti da una configurazione sperimentale appositamente sviluppata nel nostro laboratorio. Le costanti di tempo del difetto sono state modellate con due esponenziali usando la regressione non lineare: il fitting ottenuto dimostra l'esistenza di due difetti, ma con una inesattezza nei coefficienti del modello. Pertanto, siamo ricorsi a un modello a singolo esponenziale e abbiamo estratto la costante di tempo veloce con una stima accurata. Infine, abbiamo valutato l'effetto del campo elettrico sulla velocità di emissione adottando il modello di buca di Coulomb e, di conseguenza, abbiamo ottenuto i parametri del livello profondo: livello di energia, campo elettrico e sezione trasversale. La precisione dei risultati dovrebbe essere testata in futuro con ulteriori misurazioni. L'accuratezza dei risultati dovrà essere verificata in futuro con misure aggiuntive.