Aumento dell'efficienza di rivelazione di SPAD BCD nel vicino ultravioletto tramite processi di micro-fabbricazione

Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) are photodetectors where a macroscopic current is generated in response to the absorption of a single photon. Silicon SPADs were initially manufactured according to custom epitaxial technologies, advantageous in terms of performance, but disadvantageous for the high cost and the limited possibility of integration of auxiliary circuitry. These motivations drove the integration of SPADs into various CMOS technologies used in high-complexity systems. However, the low flexibility of these technologies does not allow for custom modifications in the fabrication process. A compromise between custom and CMOS technologies is provided by Bipolar-CMOS-DMOS (BCD) technologies, where it is possible to have high detector performance and integrability with processing and front-end circuits. The experimental work carried out in this thesis project aims at the structural modification of BCD SPAD through micro-fabrication processes, to increase their detection efficiency at a wavelength of 369 nm, in view of their future use in quantum information applications. The project started with a theoretical analysis of the device structure and of the physical phenomena related to the detection efficiency of BCD SPAD. In particular, it was studied how to reduce the reflection phenomena at the interface air - photodetector and, consequently, increase the detection efficiency in the spectral range of interest. The experimental work was carried out in the PoliFAB laboratory of nano and micro technologies. The goal of the first phase was the definition of a repeatable process recipe for the removal of the back-end layers from the SPAD active area, up to the exposure of the underlying silicon surface. A work of refinement of the laboratory procedures was carried out, with the support of an analysis of the PDE spectra measured by the modified SPADs. In the second phase, a first deposition of hafnium dioxide as anti-reflective material layer for the wavelength of 369 nm has been experimented, following the calibration of the evaporator used for the process.

I Single Photon Avalanche Diode (SPAD) sono fotorivelatori che permettono la generazione di una corrente macroscopica in seguito all’assorbimento di un singolo fotone. SPAD in silicio erano inizialmente fabbricati secondo tecnologie epitassiali custom, vantaggiose a livello di performance, ma svantaggiose per il costo elevato e la limitata possibilità di integrazione di circuiteria ausiliaria. Tali motivazioni hanno spinto verso l’integrazione di SPAD in diverse tecnologie CMOS, utilizzate in sistemi ad alto livello di complessità. Tuttavia, la poca flessibilità di queste tecnologie non permette di introdurre modifiche ad-hoc nel processo di fabbricazione. Un compromesso fra le tecnologie custom e quelle CMOS è fornito dalle tecnologie Bipolar-CMOS-DMOS (BCD), che permettono di avere contemporaneamente elevate prestazioni del rivelatore e integrabilità con circuiti di elaborazione e di front-end. Il lavoro sperimentale svolto in questo progetto di tesi si pone come obiettivo la modifica strutturale di SPAD BCD attraverso processi di micro-fabbricazione, per aumentarne l’efficienza di rivelazione alla lunghezza d’onda di 369 nm, in previsione del loro futuro utilizzo in applicazioni di quantum information. Il progetto è iniziato con un’analisi teorica degli aspetti del dispositivo e dei fenomeni fisici che influenzano l’efficienza di rivelazione dello SPAD BCD. In particolare, è stato studiato come ridurre i fenomeni di riflessione all’interfaccia aria - fotorivelatore e, conseguentemente, aumentare l’efficienza di rivelazione nella regione spettrale di interesse. Il lavoro sperimentale è stato svolto nel laboratorio PoliFAB di nano e micro tecnologie. La prima fase ha avuto come obiettivo la definizione di una ricetta di processo ripetibile per la rimozione degli strati di back-end dall’area attiva dello SPAD, fino all’esposizione della superficie in silicio sottostante. È stato svolto un lavoro di affinamento dei procedimenti di laboratorio, attraverso anche un’analisi, eseguita man mano, degli spettri dell’efficienza di rivelazione degli SPAD modificati. Nella seconda fase, invece, è stata sperimentata una prima deposizione di biossido di afnio quale strato di materiale antiriflesso per la lunghezza d’onda di 369 nm, in seguito alla calibrazione dell’evaporatore adoperato per il processo.