Single-Photon Avalanche Diodes in InGaAs/InP and micro-crystal heterostructures

In the last years, with the so-called “second quantum revolution”, single photon detection in the short-wavelength infrared (SWIR) range is receiving more and more interest for applications such as quantum key distribution, quantum computing, and eye-safe three-dimensional imaging with light detection and ranging (LIDAR) or non-line-of-sight (NLOS) techniques. The aim of this Ph.D. work was to develop new single-photon avalanche diodes (SPADs) for SWIR single-photon detection with improved performance, by following two approaches: i) a groundbreaking novel heteroepitaxy, exploited for developing Si-on-Si or Ge-on-Si microSPAD structures; ii) a more established, yet under development, InGaAs/InP technology. The first microSPAD prototypes were designed as proofs of concept of micro-crystals working as SPADs. Electrical and optical TCAD simulations shows that a very high PDE (>75% at 600 nm) can be achieved. The experimental characterization of single micro-crystals shows a clear SPAD behavior, and an additional implanted top contact helps reducing the dark count rate that, however, is still high even at very low temperatures. Moreover, photoresponsivity of the micro-crystals is good (up to 0.1 A/W), despite the top contact is not transparent. According to TCAD simulations, Ge-on-Si micro-crystals can achieve a PDE higher than 50% with few µm-thick Ge layer. A first experimental characterization of planar Ge-on-Si SPADs, aimed at assessing the quality of the germanium epitaxy, shows results comparable with state-of-the-art devices. The developed InGaAs/InP SPADs demonstrated to successfully compare to the best ones ever reported in the literature. The zinc diffusion and the charge layer thickness have been optimized to lower the noise of the detector. A different structure with a thicker absorption layer, aimed at enhancing the PDE, has also been designed. The developed SPADs achieve low dark count rate of 1 kcps and 4 kcps at 225 K and 5 V excess bias for 10 µm and 25 µm diameter devices, respectively. Both devices also show a high photon detection efficiency, being 33% at 1064 nm and 25% at 1550 nm. The efficiency-enhanced detector achieves a PDE up to 50% at 1550 nm, with a dark count rate of 20 kcps and a timing jitter of ~ 70 ps (FWHM) at 225 K. Timing jitter is comparable to previous-generation devices. Ultimately, when combined with a custom integrated circuit, afterpulsing probability is as low as few percent with a gating frequency of 1 MHz and hold-off time of few microseconds at 225 K, allowing to achieve a count rate of almost 1 Mcps.

Negli ultimi anni, la rivelazione di singoli fotoni nel vicino infrarosso sta acquisendo sempre più importanza in svariati ambiti, da applicazioni di crittografia quantistica e di quantum computing a tecniche di imaging tridimensionale come light detection and ranging (LIDAR) o nonline-of-sight (NLOS). Lo scopo di questo lavoro di dottorato è stato quello di sviluppare nuovi rivelatori di singolo fotone, in particolare single-photon avalanche diodes (SPAD), per il vicino infrarosso, sfruttando due diversi approcci: i) un nuovo tipo di eteroepitassia, che permette di fabbricare microcristalli di silicio e germanio su silicio; ii) una tecnologia InGaAs/InP già adottata per la fabbricazione di SPAD, ma ancora lontana dall’essere matura. Nel mio lavoro di ricerca, ho progettato i primi prototipi di microcristalli funzionanti come SPAD (microSPAD). Le simulazioni elettriche e ottiche prevedono che questi dispositivi potranno avere un’efficienza di rivelazione (PDE) molto elevata, superiore al 75% a 600 nm. La caratterizzazione sperimentale ha dimostrato, per la prima volta, la possibilità di utilizzare questi microcristalli come SPAD. Il rumore, in termini di dark count rate (DCR) risulta ancora elevato, anche a basse temperature, sebbene l’impiego di un’impiantazione per il contatto di anodo aiuti a ridurlo notevolmente. La fotoresponsività di questi microSPAD è buona (0.1 A/W), nonostante il contatto superiore non sia trasparente in questi primi prototipi. Riguardo le eterostrutture in germanio e silicio, le simulazioni TCAD indicano che sarà possibile ottenere un’elevata PDE nel vicino infrarosso crescendo solamente pochi micron di germanio. Una prima versione planare di questi dispositivi in germanio e silicio è stata caratterizzata sperimentalmente, mostrando risultati comparabili con lo stato dell’arte. Ciò dimostra la buona qualità dell’epitassia di germanio, aspetto fondamentale per ridurre il rumore dei dispositivi. Gli SPAD InGaAs/InP che ho sviluppato durante il mio lavoro di dottorato hanno dimostrato performance paragonabili allo stato dell’arte presente in letteratura. La struttura interna degli SPAD è stata ottimizzata, con particolare attenzione alla doppia diffusione di zinco e allo strato di carica che definisce il campo elettrico, con l’obiettivo di diminuire il rumore dei dispositivi. Gli SPAD fabbricati mostrano un basso DCR, pari a circa 1 kcps e 4 kcps a 225 K, per dispositivi con un diametro rispettivamente di 10 µm e 25 µm. Nelle stesse condizioni di lavoro, l’efficienza di rivelazione è pari a 33% a 1064 nm e 25% a 1550 nm. In aggiunta, è stata sviluppata una struttura con uno strato di assorbimento più spesso, in modo da aumentare l’efficienza di rivelazione nel vicino infrarosso: si è ottenuta una PDE maggiore del 50% a 1550 nm, con un rumore di 20 kcps a 225 K. Il jitter temporale di tutti i dispositivi è simile a quello di dispositivi di vecchia generazione, rimanendo fra i migliori presenti in letteratura. Infine, grazie ad un circuito integrato dedicato, l’afterpulsing risulta basso anche a 225 K, con una frequenza di abilitazione pari a 1 MHz e un tempo di hold-off di pochi microsecondi.