Progetto e simulazione di SiPM a microcristalli con crescita epitassiale verticale

The hetero-integration of materials such as Ge and GaAs on Si is an extremely interesting possibility for modern optoelectronic devices, but still an open issue. The microSPIRE project, funded by the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, aims at enhancing the performances of currently available single photon detectors by means of the epitaxial growth of these materials on patterned silicon substrates. A novel deposition approach, termed Vertical Hetero-Epitaxy (VHE), will be employed to assemble ordered arrays of 3-D microcrystals, ideally free from dislocations and defects impairing current hetero-epitaxially grown devices. This technological platform is ideal for µSiPMs, single photon detectors featuring photon number resolving (PNR) capability, i.e. the ability to discriminate the actual number of detected photons. The first goal of microSPIRE will be the construction of an all-Si µSiPM. This first device will prove useful for testing the performances of these vertically grown structures, while featuring a detection efficiency that is expected to be well beyond the current state of the art. This thesis work has been focused on a preliminary study and a TCAD-assisted project of the Si µSiPM, with the main goal of maximizing the photodetection efficiency (PDE) of the device. A 1-D doping profile (also suitable for planar devices) has been optimized to guarantee both high absorption and triggering efficiency, with low noise thanks to a proper tailoring of the electric field profile. Accurate optical and electrostatic analyses have been performed in order to define an optimal microcrystal geometry. The PDE of a single µSiPM microcell has been evaluated using an equivalent model based on 2-D TCAD optical simulations. In the idealized case of zero reflection coefficient, the PDE of the best device reaches 79% at 500 nm and 59% at 800 nm.

L’integrazione su silicio di materiali come il Ge e il GaAs è a tutt’oggi un argomento di estremo interesse per l’optoelettronica, e un problema ancora largamente irrisolto. Il progetto microSPIRE (micro-crystals Single Photon InfraREd detectors), finanziato dall’Unione Europea nell’ambito del programma Horizon 2020 (grant agreement No.736969), mira ad un netto miglioramento delle prestazioni degli attuali rivelatori a singolo fotone per mezzo di una nuova tecnologia in grado di consentire la crescita epitassiale di questi materiali su substrati di silicio opportunamente processati. A tal fine verrà impiegato un innovativo metodo di deposizione, denominato VHE (Vertical Hetero-Epitaxy), in grado di produrre array ordinati di microcristalli tridimensionali idealmente privi dei difetti reticolari che affliggono i dispositivi attualmente disponibili. Questa piattaforma è ideale per la realizzazione di µSiPM, rivelatori a singolo fotone dotati di photon number resolving (PNR) capability, ovvero la capacità di discriminare anche l’effettivo numero di fotoni rivelati. Il primo obiettivo di microSPIRE sarà la costruzione di un µSiPM realizzato interamente in Si, con il duplice scopo di testare le potenzialità di queste strutture e di superare al contempo lo stato dell’arte di questo tipo di rivelatore in termini di efficienza di rivelazione (PDE). Questo lavoro di tesi ha riguardato lo studio e la progettazione, assistita da software di simulazione, del µSiPM in Si. In particolare, ci si è concentrati sulla massimizzazione dell’efficienza di rivelazione (PDE). Il progetto si è quindi focalizzato sulla definizione di un profilo di drogaggio monodimensionale (utilizzabile dunque anche per uno SPAD planare) adatto a garantire elevata efficienza di assorbimento e probabilità di innesco della valanga, ottimizzando allo stesso tempo il profilo di campo elettrico allo scopo di ridurre il rumore del dispositivo. In parallelo, sono state accuratamente analizzate le caratteristiche elettrostatiche e ottiche dei microcristalli, in modo da definirne la geometria più adatta. L’efficienza di rivelazione delle singole microcelle del µSiPM è stata stimata attraverso un modello equivalente basato su simulazioni ottiche 2-D. Nel caso semplificato di riflessione trascurabile la PDE raggiunge, per il miglior dispositivo, il 79% alla lunghezza d’onda di 500 nm e il 59% a 800 nm.