TCAD electrical modeling and experimental characterization of 3D micro-crystal SiPM

Silicon Photomultipliers (SiPM) have recently attracted interest as single-photon detectors due to their wide active area and photon number resolving capability. However, silicon limits the detection up to a maximum wavelength of 1.1 μm, while for a number of applications it would be desirable to extend the spectral range into the near-infrared region. This requires the integration on silicon of materials such as Ge and GaAs, that today has not been fully explored. The microSPIRE project, funded by the European Commission Horizon 2020 program, aims to develop a solid-state device with photon number resolving capability that is also able to operate in the infrared range. For this purpose, the integration of a different semiconductor (Ge, GaAs) has been refined by means of an innovative technique, termed Vertical Heteroepitaxy, based on the epitaxial growth of such materials on patterned silicon substrates, where micro pillars are etched. Thanks to this process, it was possible to assemble ordered arrays of 3D micro-crystals with an extremely high fill factor. In the framework of microSPIRE project, this thesis focused on a Technology-CAD (TCAD) analysis of the electrical properties of silicon structures, supported by the results of the experimental characterization of the first fabricated devices, which has been carried out in parallel. Impact of different factors on device performance has been investigated, namely crystal morphology and doping concentration, together with the approach for the definition of the top contact. Results arising from measurements and simulations have been compared, highlighting strengths and limitations of 2D modeling approaches. To this aim, in this thesis TCAD simulations have been extended to 3D, paving the way to an increasingly accurate understanding of the performance of single-photon detectors based on micro-crystals.

Negli ultimi anni si è registrato un crescente interesse per i Silicon Photomultiplier (SiPM) come rivelatori di singoli fotoni ad ampia area e in grado di risolvere il numero di fotoni in un impulso ottico. La realizzazione in silicio, tuttavia, limita lo spettro di rilevazione a lunghezze d’onda inferiori a 1.1 μm, mentre per diverse applicazioni sarebbe desiderabile estendere lo spettro nella regione del vicino infrarosso. Ciò richiede l'integrazione su silicio di materiali come Ge e GaAs, che ad oggi non è stata ancora implementata. Il progetto microSPIRE, finanziato dalla Commissione Europea all’interno del programma Horizon 2020, mira a sviluppare un dispositivo a stato solido con capacità di risoluzione del numero di fotoni che sia in grado di operare anche nel range dell'infrarosso. A questo scopo, l'integrazione di semiconduttori dissimili (Ge, GaAs) è stata perfezionata mediante un innovativo approccio di crescita, denominato eteroepitassia verticale, basato sulla crescita epitassiale di questi materiali su un substrato di silicio opportunamente processato per definire dei micro pilastri. Grazie a questa tecnica è stato possibile realizzare matrici ordinate di microcristalli 3D con un fill factor di superiore ai SiPM attualmente disponibili. In questo contesto si inserisce questo lavoro di tesi, che si è focalizzato su un'analisi TCAD delle proprietà elettriche delle strutture in silicio, supportato dai risultati della caratterizzazione dei primi dispositivi fabbricati nello stesso periodo. È stato verificato l'impatto di diversi fattori sulle prestazioni del dispositivo, in particolare la morfologia dei cristalli e la concentrazione di drogaggio, insieme all’approccio selezionato per la deposizione del contatto superiore. I risultati derivanti da misure e simulazioni sono stati confrontati, evidenziando punti di forza e limiti sia del set-up di caratterizzazione che del metodo di modellazione, basato solo su profili 2D. A questo scopo, particolare attenzione è stata spesa per estendere le simulazioni TCAD a livello 3D, aprendo la strada a una comprensione sempre più accurata delle prestazioni dei microcristalli come rilevatori di singolo fotone.