Variabilità della tensione di breakdown nei rivelatori di singolo fotone SPAD : modelli e metodi per analizzarne le cause

In the recent years the ability of detecting single photons has become crucial in an always increasing number of applications. The PhotoMultipliers Tubes (PMTs) have been the first type of detectors adopted in this field; however, they suffer of remarkable limitations in terms of bulkiness, ruggedness, integrability and detection efficiency. Today, the Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) completely overcome these limitations. As solid-state devices, usually fabricated in silicon, they are robust, easy to integrate, and suitable for the fabrication of 1D and 2D arrays. Nowadays SPADs are used in a large number of applications including for example LiDAR, time of flight (ToF) 3D imaging, PET scanning, optical communications (especially for Quantum Key Distribution – QKD) and microscopy. In general, they are used in all those fields where weak light signals are present (e.g. FRET) in which they excel for high efficiency, low noise, and superior temporal resolution. The requirements of some applications, e.g. those based on FRET (Förster Resonance Energy Transfer) lead to the development of SPADs which are optimized for detecting photons in the red and near infrared region of the spectrum. This work will focus specifically on these detectors, which are commonly known as Red Enhanced-SPAD (RE-SPAD). The SPAD manufacturing process may introduce a variation in some key parameters, in particular in the breakdown voltage. The latter is strictly related with the detection efficiency; therefore, its control is especially important for all the applications which require arrays of SPAD. Techniques like the High Throughput single molecule FRET (HT sm-FRET) require arrays of detectors with high detection efficiency and extreme precision in the photon arrival time. As these specifications must be guaranteed in each pixel of the array, any variation of the breakdown voltage along the array would result in a degradation of the overall system performance. In this work, we verified that the breakdown voltage can change up to a few tens of volts with respect to its nominal value, making the corresponding SPADs useless and decreasing the wafer yield. The problem originates from the high sensitivity of the breakdown voltage to smallest process variations. For this reason, a better control and knowledge of the process itself and of the final device is crucial for the production of larger 1D or 2D arrays. So, the first part of this work focuses on the analysis of the breakdown variation across the wafer. The second part of this work will deal with the extraction of useful data through the doping profile obtained by means of CV measurements. These measurements are easier, cheaper, faster and especially more repeatable than the possible alternatives such as SIMS and SRP. However, they are not perfect, and the extracted data need a careful analysis and calibration with the help of device simulations. The measurements will be analyzed and compared with the results obtained with Sentaurus Device simulations. We will try to identify parasitisms that affect the measurements and we will propose models to explain the different effects visible from the measures. The purpose is to develop a correction method for the CV measurements themselves which allow a better extraction of the most interesting data for the study of the breakdown voltage variation. We will analyze also the RE-SPAD series resistance, as a function of the reverse bias. These values, obtained during the acquisition of the CV curve, allow to gather additional information useful for a deeper analysis of the detector’s structure. In the last part of this thesis, we will compare the results provided by the different models which have been introduced. We will propose also some redesign criteria for the wafer sensors’ layout with the purpose of simplifying and improving the calibration and the correction of the CV measurements. In summary, this work provides the tools for an effective analysis of the breakdown variability and will support the design of detectors with improved performance.

Negli ultimi anni la capacità di rivelare singoli fotoni è diventata fondamentale in un numero sempre crescente di applicazioni. I primi rivelatori usati a tale scopo furono i tubi fotomoltiplicatori (PMTs – PhotoMultiplier Tubes) che tuttavia presentavano notevoli limitazioni in termini di dimensioni, robustezza, integrabilità ed efficienza di rivelazione. Per superare queste limitazioni sono stati sviluppati i Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). Essendo dispositivi a stato solido, nella maggior parte dei casi realizzati in silicio, sono robusti, facilmente integrabili e organizzabili in matrici unidimensionali o bidimensionali. Oggigiorno gli SPAD vengono usati in innumerevoli applicazioni fra cui: LIDAR, time of flight (ToF) 3D imaging, scansioni PET, comunicazioni ottiche (in particolare nella Quantum key Distribution – QKD) e microscopia. In generale trovano utilizzo in tutti quei campi in cui vi sono deboli segnali luminosi dove eccellono per efficienza, basso rumore e risoluzione temporale. Le specifiche necessarie per l’implementazione efficace di alcune tecniche di misura, ad esempio quelle basate su FRET (Förster Resonance Energy Transfer), hanno portato allo sviluppo di SPAD ottimizzati per rivelare fotoni nel rosso e vicino infrarosso. Questo lavoro di tesi si concentra proprio su questi dispositivi, noti come Red-Enhanced SPAD (RE-SPAD). Il processo di fabbricazione degli SPAD introduce però offset in alcuni dei parametri più importanti, in particolare nella tensione di breakdown: essa è strettamente legata all'efficienza dello SPAD e la conoscenza e controllo del suo valore è fondamentale soprattutto per le applicazioni che richiedono l'utilizzo di array di sensori. Tecniche come l'High Throughput single molecule FRET (HT sm-FRET) necessitano infatti di array di rilevatori in grado di garantire, per ogni sensore, alta efficienza e precisione nella rivelazione dell’istante di arrivo del fotone. E un'eventuale variazione della tensione di breakdown nell'array impatterebbe negativamente sulle prestazioni. In questo lavoro di tesi si è verificato che nello stesso wafer la tensione di breakdown può discostarsi rispetto al valore nominale anche di decine di volt, rendendo tali SPAD inutilizzabili e diminuendo così la resa del wafer. Il problema risiede nella grande sensibilità del breakdown a piccole variazioni nel processo facendo sì che un maggiore controllo e conoscenza del processo stesso e del dispositivo finale sia cruciale per la produzione di array o matrici sempre più grandi. Per questo motivo la prima parte di questo lavoro si focalizza sull'analisi delle variazioni della tensione di breakdown nel wafer. La seconda parte si concentra, invece, sull'estrazione di dati attraverso il profilo di drogaggio ricavato tramite misure CV. Tali misure sono più semplici, economiche, veloci e specialmente ripetibili rispetto alle possibili alternative come le tecniche SIMS e SRP. Tuttavia non sono perfette e i dati ottenuti necessitano di un'attenta analisi e calibrazione con l'ausilio di simulazioni del dispositivo misurato. Le misure svolte saranno quindi analizzate e confrontate con i risultati ottenuti tramite simulazioni eseguite con Sentaurus Device. Si cercherà di isolare parassitismi che influiscono sulla misura e proporre modelli che spieghino i diversi effetti presenti. Lo scopo finale è sviluppare un metodo di correzione delle misure CV stesse che consenta una migliore estrazione dei dati più interessanti per lo studio della variazione della tensione di breakdown. Si analizzeranno, inoltre, le misure della resistenza serie dei RE-SPAD al variare della tensione inversa. Queste ultime sono eseguite contemporaneamente alle misure CV e consentono di ottenere informazioni aggiuntive che permettono di approfondire l’analisi della struttura del rivelatore. Nell'ultima parte di questa tesi confronteremo i risultati ottenuti dai vari modelli introdotti. Inoltre saranno proposti modi per ripensare il layout dei sensori nel wafer con il fine di permettere l'implementazione di strutture ideate per semplificare e approfondire la calibrazione e la correzione delle misure CV. In conclusione, questo lavoro di tesi fornisce gli strumenti per una analisi efficace delle cause della variabilità della tensione di breakdown e si configura quindi come un valido ausilio per lo sviluppo di rivelatori con prestazioni sempre migliori.