InGaAs/InP single photon avalanche detectors for the near infrared range

My research activity was focused on the study, the design, the fabrication and the characterization of new Single-photon Avalanche Diodes (SPADs), made in InGaAs/InP, with improved performances, for the photon detection in the near-infrared range, up to 1700nm. This research exploited the collaboration with the Canadian National Research Council (NRC), where the devices were fabricated. In the last years, single photon detection has become more and more important when very faint or ultra-fast optical signals must be measured. Advanced applications are found in many fields, such as measurement of fluorescent decays, characterization of new materials, VLSI testing, quantum cryptography, etc... In order to be able to detect single photons, the sensor must have a very high sensitivity. Different kinds of single-photon detectors have been developed. Among the others, solid-state detectors, like SPADs, are reliable and robust and very portable. A detailed simulation activity was carried out to obtain the optimal structure for InGaAs/InP SPADs, analyzing the effect of all structural parameters on SPAD performances. A custom “SPAD simulator” was developed, able to simulate the detection efficiency at different wavelength, the dark count rate and afterpulsing, in all the operating conditions. Several SPAD structures were designed with different diffusion masks, in order to experimentally study the effect of diffusion geometries on electric field and on SPAD performances (and to extract unknown physical parameters). Moreover, some specific novel structures were introduced, with special patterns in the diffusion masks, to improve SPAD performances. The SPAD manufacturing processes were analyzed in depth and, thanks to the collaboration with NRC, it was possible to slightly adapt it to our specific requirements. Another important part of the present research activity was the characterization of commercially available InGaAs/InP SPADs (with state-of-the-art performances), not just to acquire data on their performances, but also to obtain useful information about their behaviors and problems related to their design and fabrication. The main contributions to dark count rate of InGaAs/InP SPADs were identified and it was also deeply studied, for the first time, the negative effect of electric-field non-uniformity on the time resolution of these detectors. The produced PoliMi InGaAs/InP SPADs have very good performances. Afterpulsing, which is the main bottleneck of InGaAs/InP SPADs, is significantly lower in PoliMi SPADs than in commercially available SPADs. Moreover, the time resolution (lower than 80ps) and the electric field uniformity of PoliMi SPADs are better than state-of-the-art SPADs and their timing response distribution is sharper, without tail or second peaks.

L’attività di ricerca da me condotta ha riguardato il progetto, la realizzazione e la caratterizzazione di nuovi rivelatori a valanga di singoli fotoni (Single-Photon Avalanche Diodes, SPADs), realizzati in InGaAs/InP, per la rivelazione di singoli fotoni nel campo del vicino infrarosso (fino a circa 1700 nm). Questa attività di ricerca è stata portata avanti anche grazie alla collaborazione con il centro di ricerca canadese National Research Coulcil (NRC), nel quale sono stati prodotti i dispositivi progettati. Negli ultimi anni i rivelatori di singoli fotoni sono divenuti sempre più importanti nelle applicazioni dove quantità di luce molto basse, oppure segnali ottici molto veloci, devono essere rivelati, come ad esempio la misura di decadimenti fluorescenti, la caratterizzazione di nuovi materiali, il test ottico non invasivo dei circuiti integrati, la Quantum Cryptography, ecc… Per poter rivelare singoli fotoni occorre una alta sensibilità: molti tipi di rivelatori di singoli fotoni sono stati realizzati e, tra questi, gli SPAD hanno il vantaggio di essere affidabili, robusti e di dimensioni molto compatte. In questo lavoro di ricerca, si è svolta una intensa attività di simulazione, allo scopo di ottenere la struttura ottimale per gli SPAD InGaAs/InP, analizzando gli effetti dei vari parametri strutturali sulle performance di questi dispositivi. È stato realizzato un opportuno simulatore per SPAD InGaAs/InP, che è in grado di stimare l’efficienza di rivelazione, i conteggi di buio e l’afterpulsing in tutte le diverse condizioni operative. Sono state realizzate diverse strutture di SPAD (su uno stesso wafer), variando le dimensioni delle maschere, per poter poi studiare sperimentalmente il loro effetto sui campi elettrici e quindi sulle performance. Inoltre, sono state progettate e realizzate alcune strutture innovative, con particolari geometrie delle diffusioni, per ottenere prestazioni migliori. Il processo di produzione è stato analizzato in dettaglio e, grazie alla collaborazione con NRC, è stato possibile adattarlo leggermente per le particolari necessità legate alla produzione di SPAD. Un importante parte della presente attività di ricerca è stata la caratterizzazione di SPAD InGaAs/InP commerciali, allo stato dell’arte: questo è stato necessario non solo per quantificare le loro performance, ma anche per ottenere utili informazioni su eventuali problemi legati al loro progetto e alla loro realizzazione. In particolare, i principali contributi ai conteggi di buio sono stati indentificati ed è stato anche studiato l’effetto negativo delle non uniformità dei campi elettrici sulla risoluzione temporale. Le performance dei primi SPAD InGaAs/InP prodotti sono risultate molto buone. L’afterpulsing (il maggiore problema di questo tipo di rivelatori) è risultato minore che in quelli commerciali ed inoltre la risoluzione temporale e l’uniformità dei capi elettrici sono risultate migliori dei dispositivi commerciali allo stato dell’arte.