Slow persistent charge effect in silicon single-photon avalanche diode

In the world of single photon counting and time correlated photon counting, SPADs (Single-Photon Avalanche Diode) are semiconductor devices that overcome some limitations of the Photo Multiplier Tube (PMT). The latters are fragile, space consuming and they have low quantum efficiency in red and near-red wavelengths. On the other hand, SPADs have high photon detection efficiency, high reliability and compactness. Furthermore, using a customize process for the detectors opens the possibility to obtain large-area detectors, with excellent performance in terms of noise, afterpulsing, time jitter and detection efficiency. Recent years have seen the introduction of the Red-Enhanced SPAD, the first SPAD able to attain a remarkable PDE (Photon Detection Efficency) in the near infrared range (e.g. 40% at a wavelength of 800 nm) combining with low time jitter. The main focus of my thesis work is the development of an experimental setup for the characterization of SPADs, with a particular focus on the slow persistent charge effect. It consists in an increase of the device noise after illumination that slowly decays with a time constant of few seconds. Although this effect has been observed previously, its origin was completely unknown and also a complete characterization of the phenomenon was missing. As a preliminary step, in my work, I measured the main parameters (breakdown voltage, dark count rate, and photon detection efficiency) of a bunch of detectors potentially suitable for this study. The knowledge of these parameters is mandatory for selecting a subset of devices to be used in the study and for the interpretation of the corresponding results. Then I designed a new experimental setup in order to investigate the slow persistent charge effect in silicon SPAD. The setup has to be versatile to allow for a characterization of the phenomenon as function of the excitation wavelength, electric field, overvoltage, temperature and light intensity. In addition, there is a fundamental attention to the working condition of the SPAD because this effect is observed when the device is counting during the illumination phase but also when it is switched off and it is simply a pn junction in reverse bias with no multiplication of the carriers. This indicates that the effect is optically activated and it is associated to the avalanches triggered during the illumination phase. The measurements that I performed allow to understand the slow persistent charge effect as a function of the main working parameters of the SPAD. Even if these do not allow to identify the physical explanation, allow to make reasonable hypothesis on the region of the device where the phenomenon is originated. Therefore, these results are fundamental to further investigate the phenomenon to solve the noise enhancement due to this phenomenon.

Nel mondo del single photon counting e time correlated photon counting, gli SPADs (Single-Photon Avalanche Diode) sono i dispositivi a semiconduttore che superano alcune limitazioni dei Photo Multiplier Tube (PMT). Questi ultimi sono fragili, occupano molto spazio e hanno bassa efficienza quantica per lunghezze d’onda nel rosso e nel vicino infrarosso. D’altra parte gli SPADs hanno alta efficienza quantica, alta affidabilità e sono molto compatti. Inoltre, la possibilità di utilizzare tecniche di fabbricazione personalizzate per il dispositivo ha aperto la strada a dispositivi con una larga area attiva ma con eccellenti prestazioni in termine di rumore, afterpulsing, time jitter e efficienza quantica. Negli ultimi anni abbiamo assistito all’introduzione del Red-Enhanced SPAD, il primo SPAD capace di raggiungere una raguardevole PDE (Photon Detection Efficency) nelle lunghezze d’onda del rosso ( che significa raggiungere il 40% per la lunghezza d’onda di 800 nm) unito ad un basso time jitter. Questo lavoro di tesi si concentra sull’implementazione e gestione di un setup sperimentale che permetta la caratterizazione dei principali parameri dello SPAD. Una particolare attenzione è stata dedicata allo studio del “slow persistent charge effect”. Quest’ultimo consiste in un aumento del rumore nel dispositivo, osservato dopo una fase di illuminazione. Questo fenomenomeno è molto lento e il suo decadimento esponenziale dura secondi. Anche se questo effetto è stato osservato precedenemente la sua origine è sconosciuta e in letteratura manca un lavoro di caratterizzazione di questo fenomeno. All’inizio del mio lavoro ho misurato i principali parametri di uno SPAD (breakdown voltage, dark count rate, and photon detection efficiency) per un gruppo di dispositivi potenzialmente adatti per osservare il fenomeno. La conoscenza di questi parametri è fondamentale per selezionare un sottoinsieme che possa essere utilizzato nello studio e per l’interpretazione dei risultati ricavati. Successivamente ho progettato un altro setup sperimentale per studiare the slow persistent charge effect. Il setup deve esssere versatile per permettare la caratterizzazione del fenomeno in funzione della lunghezza d’onda di eccitazione, del campo elettrico, della sovratensione, della termperatura e dell’intensità di eccitazione. Inoltre, questo effetto è stato osservato sia tenendo lo SPAD acceso durante la fase di illuminazione sia con lo SPAD spento, dove è semplicemente una giunzione pn in inversa senza moltiplicazione di carica. Questo indica che l’effetto è attivato otticamente e non è associato alle valanghe innescate durante la fase d’illuminazione. Le misure che ho eseguito mi hanno permesso di capire il comportamento dello slow persistent charge effect nelle principali condizioni in cui è posto lo SPAD. Anche se queste misure non permettono di identificare la ragione fisica, consentono di fare ipotesi sulla regione del dispositivo dove questo effetto è generato. Quindi questi risultati sono fondamentali per ulteriori indagini che permettano di risolvere definitivamente l’aumento di rumore dovuto a questo fenomenono.