Next generation single photon avalanche diodes for high-efficiency, near-infrared photon-timing

Thanks to their high Photon Detection Efficiency (PDE), compactness, and reliability, Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) are now profitably used from both the scientific and industrial communities in a wide range of applications that rely on single-photon detection. Light detection and ranging (LiDAR), diffuse optical tomography (DOT), and fluorescence lifetime imaging spectroscopy (FLIM) are just a few examples. Among the many SPADs now available, silicon SPADs are the most widespread ones, because of their excellent performance in terms of Dark Count Rate (DCR), afterpulsing probability, and time resolution. Despite the incredible steps forward of the last decade, already-existing detectors make not possible to envision a good combination of high detection efficiency and good timing resolution in the near-infrared spectrum (i.e. between 800 and 1000 nm of wavelength). The reason is an intrinsic trade-off that plagues the current SPAD structures: as the detector is illuminated from the top, increasing the detection efficiency requires a thicker depletion region which results in a larger time jitter, owing to the dispersion of the carriers’ transit times. For example, passing from a thin to a red-enhanced SPAD increases the PDE from about 10% to 30% at 850 nm, but simultaneously leads to a degradation of the time jitter from about 30 to 90 ps FWHM. Consequently, there is a wide variety of applications the potential of which cannot be fully satisfied by currently available detector structures, such as Quantum Key Distribution (QKD), Quantum Information Processing (QIP), etc. My doctoral work aims at developing SPADs that overcome the trade-offs between detection efficiency and timing jitter at near-infrared wavelengths. First, with the goal of helping the growth and the validation of new and more accurate SPAD models, I developed an extraction technique able to provide accurate doping profiles along the depletion region of the measured SPADs. Indeed SPAD models, thanks to their ability in accurately forecasting detectors’ metrics, play a key role in the evolution of SPAD technology. However, to verify the effectiveness of these models, a thorough and extensive validation against experimental data is required. To this aim, being most physical phenomena that determine detector performance strongly dependent on the electric field, accurate doping profiles are mandatory. Unfortunately, widely-adopted profiling techniques provide results which are not precise enough for SPAD modeling. Starting from an initial, approximate, doping profile provided by process simulations and/or Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) measurements, the technique I developed refines it up to an accuracy level high enough to correctly predict SPAD metrics. To do this, I adopted an inverse scheme in which the doping profile is continuously corrected until a close matching is obtained between electrical simulations and experimental capacitance-vs-voltage (C-V) measurements. To verify the method, I applied the technique to several real SPADs with different internal structures and different doping profiles and used the obtained results to compute their breakdown voltage. Calculated outcomes in good accordance with experimental data were obtained, providing a convincing validation of the proposed method. Second, with the aim to push farther the boundaries set by the trade-off between PDE and timing jitter, a side-illumination approach, in which the light propagates transversally, has been proposed. This way, the absorption efficiency can be improved by acting on the detector length, rather than its thickness, thus decoupling light absorption from avalanche multiplication. This way, the detector thickness can be reduced to the values typical of the thin SPADs, allowing a potential time jitter of about 30 ps FWHM. To do this, the SPAD will be embedded in a silicon-waveguide structure and the photons, generated externally, will be coupled into the detector through an optical fiber. An upper electrode and a silicon contact region present on one side of the guide are necessary for biasing the structure and having along the device thickness the typical electric field profile of the detector. As a first step, an optical analysis has been conducted in order both to size the main parameters of the waveguide structure and to verify the robustness of the system. Afterwards, a simplified but realistic fabrication process was devised and simulated in order to investigate the electrical properties of the detector. The simulations I performed confirmed that this solution is very promising and that non idealities, such as the surface roughness of the guide or a small misalignment or tilt between the detector and the input optical fiber, have only a minimal impact on the detector performance. Third, in order to overcome SPAD limitations within existing detector structures (thin and red-enhanced SPADs in particular), the following two technological solutions have been explored: back-illumination technology and resonant cavity integration. Indeed, despite the promising results predicted for the side-illumination approach, a waveguide-SPAD is not suitable for a number of applications. For example, a waveguide-integrated SPAD cannot be employed in a satellite-QKD system, as the light coming from the telescope requires large active area diameter (i.e. between 100 - 150 μm). Simulation results allowed me to conclude that impressive improvements may be attained in terms of both detection efficiency and time response through the aforementioned solutions, either singularly or in combination. For instance, PDE as high as 77% are predicted at 850 nm of wavelength from a red-enhanced SPAD structure, together with timing jitters and diffusion time constants in the order of few hundreds of picoseconds. As another example, detection efficiency from about 51% to 64% are expected from both front- and back-illuminated resonant cavity enhanced thin SPADs, along with time jitter of ≈ 32 ps and diffusion time constant no longer than 0.19 ns. Calculations I performed highlighted a pivotal role may be played by such structures for high-rate QKD via satellites. Lastly, as there are still a large number of applications for which red-enhanced SPADs may be suitable, the final part of my Ph.D. work was dedicated to this class of detectors. Modifications have been applied to the RE-SPADs’ fabrication process in order to satisfy a series of requirements, such as a lower junction depth, an improved compactness, and a reduced thermal budget. With the goal of evaluating the effectiveness of all the modifications I applied, a simplified version of the fabrication process with a reduced manufacturing time was also devised to produce test devices. In addition, to be able to extract the boron profiles from the wafers where the RE-SPADs will be manufactured, the potential and the feasibility of different Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) structures have been investigated. Simulation results demonstrated that it is possible to obtain valuable information about the doping profile in some critical regions of the detector, provided that appropriate measures are adopted in the design of the test structures.

Grazie alla loro alta Photon Detection Efficiency (PDE), compattezza e affidabilità, i Single Photon Avalanche Diode (SPAD) sono proficuamente impiegati sia dalla comunità scientifica che da quella industriale in una vasta gamma di applicazioni basate sulla rivelazione del singolo fotone. La light detection and ranging (LiDAR), la diffuse optical tomography (DOT) e la fluorescence lifetime imaging spectroscopy (FLIM) ne sono solamente alcuni esempi. Tra i molti dispositivi attualmente disponibili, gli SPAD in silicio sono quelli più diffusi, per le loro caratteristiche eccellenti in termini di Dark Count Rate (DCR), probabilità di afterpulsing e risoluzione temporale. Nonostante gli enormi passi avanti compiuti nell'ultimo decennio, i rivelatori già esistenti non permettono di ottenere un'ottima combinazione di alta efficienza di rilevazione e buona risoluzione temporale nella regione spettrale del vicino infrarosso (tra 800 e 1000 nm di lunghezza d'onda). La ragione risiede in un trade-off intrinseco che affligge le strutture SPAD correnti: essendo il sensore illuminato dall'alto, aumentare l'efficienza di rilevazione richiederebbe una regione svuotata più spessa la quale risulterebbe però in un maggiore jitter temporale, a causa della dispersione dei tempi di transito dei portatori. Per esempio, passare da uno SPAD sottile a uno SPAD Red-Enhanced aumenta la PDE a 850 nm da circa 10% a 30%, ma contemporaneamente porta ad un peggioramento del jitter temporale da 30 a 90 ps FWHM. Di conseguenza, c'è una grande varietà di applicazioni, quali la Quantum Key Distribution (QKD) e il Quantum Information Processing (QIP), il cui potenziale non può essere completamente espresso con le strutture SPAD attualmente disponibili. Il mio lavoro di dottorato mira a sviluppare SPAD che superino il trade-off tra efficienza di rilevazione e jitter temporale nelle lunghezze d'onda del vicino infrarosso. Prima di tutto, con l'obiettivo di favorire la messa a punto e la validazione di nuovi e più accurati modelli SPAD, ho sviluppato una tecnica di estrazione capace di fornire profili di drogaggio precisi lungo la regione svuotata degli SPAD misurati. Infatti, grazie alla loro abilità nel predire correttamente i parametri dei rivelatori, i modelli SPAD giocano un ruolo chiave nella evoluzione della tecnologia. Tuttavia, per verificare l'efficacia di questi modelli, una approfondita e estensiva validazione rispetto ai dati sperimentali è richiesta. A questo fine, essendo molti dei fenomeni fisici che determinano le prestazioni del rivelatore fortemente dipendenti dal campo elettrico, è fondamentale disporre di profili di drogaggio estremamente accurati. Sfortunatamente però le tecniche di profilazione comunemente adottate forniscono risultati che non sono precisi abbastanza per la modellizzazione SPAD. Partendo da un profilo di drogaggio approssimato dato da simulazioni di processo e/o misure di Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS), la tecnica da me sviluppata lo corregge ad un livello di precisione tale da predire correttamente le caratteristiche di uno SPAD. Per fare ciò, ho adottato uno schema inverso all'interno del quale il profilo di drogaggio viene continuamente corretto fino a quando una corrispondenza perfetta è ottenuta tra simulazioni elettriche e misure capacità-tensione (C-V) sperimentali. Per verificare il metodo, ho applicato la tecnica a vari dispositivi SPAD reali, diversi sia per la struttura interna che per profilo di drogante, e ho usato i risultati ottenuti per calcolare la loro tensione di breakdown. I risultati delle simulazioni sono risultati in buon accordo con i dati sperimentali, fornendo così una convincente validazione del metodo proposto. In secondo luogo, per superare il trade-off fra PDE e jitter temporale, è stato proposto un approccio ad illuminazione laterale dello SPAD, in cui la luce si propaga trasversalmente nel rivelatore. In questo modo, l'efficienza di assorbimento può essere migliorata agendo sulla lunghezza del rivelatore, anziché sul suo spessore, disaccoppiando così l'assorbimento della luce dalla moltiplicazione a valanga. Lo spessore del rivelatore può essere così ridotto ai valori tipici degli SPAD sottili, permettendo un potenziale jitter temporale di circa 30 ps FWHM. A questo scopo, lo SPAD sarà integrato all'interno di una guida d'onda in silicio e i fotoni, generati esternamente, saranno accoppiati al suo interno tramite una fibra ottica. Un elettrodo superiore e una regione di silicio di contatto presente su di un lato della guida sono necessari per polarizzare la struttura e avere lungo lo spessore del dispositivo il tipico profilo di campo elettrico del sensore. Come primo passo, è stata da me condotta un'analisi ottica finalizzata sia a dimensionare i parametri principali della guida che a verificare la robustezza del sistema. In seguito, è stato ideato e simulato un processo di fabbricazione semplificato ma realistico per investigare poi le proprietà elettriche del rivelatore. Le simulazioni da me condotte hanno confermato questa soluzione essere molto promettente e non idealità, come la rugosità delle superfici della guida o un piccolo disallineamento tra il sensore e la fibra, avere solo un impatto minimo sulle prestazioni del dispositivo. Terza cosa, per superare le limitazioni dello SPAD all'interno di strutture esistenti (SPAD sottile e SPAD red-enhanced in particolare), le seguenti due soluzioni tecnologiche sono state esplorate: la retro-illuminazione e l'integrazione in cavità risonante. Infatti, nonostante i promettenti risultati previsti per l'approccio ad illuminazione laterale, uno SPAD in guida non è adatto per una serie di applicazioni. Per esempio, uno SPAD integrato in guida non può essere impiegato in un sistema di QKD tramite satellite, dal momento che la luce proveniente dal telescopio richiede diametri dell'area attiva elevati (tra i 100 e i 150 μm). I risultati delle simulazioni mi hanno permesso di concludere che miglioramenti significativi possono essere ottenuti in termini sia di efficienza di rivelazione che di risposta temporale attraverso le soluzioni sopracitate, sia singolarmente che in combinazione. Per esempio, si stima che per uno SPAD red-enhanced sia possibile ottenere una PDE anche del 77% alla lunghezza d'onda di 850 nm, assieme ad un jitter temporale e una costante di tempo di diffusione nell'ordine delle poche centinaia di picosecondi. Analogamente è possibile raggiungere un'efficienza di rivelazione del 51 e 64% ricorrendo ad uno SPAD sottile integrato in cavità ed illuminato anteriormente o posteriormente, insieme ad un jitter temporale di ≈ 32 ps e una costante di tempo di diffusione non più grande di 0.19 ns. Le simulazioni da me condotte hanno inoltre evidenziato che un ruolo fondamentale può essere svolto da queste strutture per la QKD tramite satelliti ad alta velocità. In ultimo, dal momento che ci sono ancora un gran numero di applicazioni per cui i dispositivi red-enhanced possono essere impiegati, la parte finale del mio lavoro di dottorato è stata dedicata a questa classe di rivelatori. Sono state applicate alcune modifiche al processo di fabbricazione dei RE-SPAD per soddisfare una serie di richieste, come una minore profondità di giunzione, una migliorata compattezza e un ridotto budget termico. Al fine di valutare l'efficacia di tutte le modifiche da me applicate, una versione semplificata del processo di fabbricazione con un ridotto tempo di fabbricazione è stato elaborata per produrre dispositivi di test. In aggiunta, con lo scopo di poter estrarre i profili di boro dai wafer dove i RE-SPAD verranno prodotti, il potenziale e la fattibilità di diverse strutture metallo-ossido-semiconduttore (MOS) sono stati analizzati. I risultati delle simulazioni hanno dimostrato che ottenere informazioni utili sul profilo di drogante in alcune regione critiche del rivelatore è possibile, purché nella progettazione delle strutture di test vengano adottate misure appropriate.