Simulation, design and testing of InGaAs/InP single photon avalanche diodes

Single-photon counting and timing applications have been developed over many years. Significant results have been reached with silicon single-photon avalanche diodes (SPADs) in different areas such as quantum cryptography, astronomy, single molecule detection, fluorescent decays, luminescence measurements, etc.. However, silicon SPADs cannot detect photons with wavelengths longer than 1.1 μm and other semiconductors have to be employed. The III-V compound InGaAs is used to absorb near-infrared photons and the main goal of the present PhD research is to design a well performing low-noise InGaAs/InP SPAD. The first step for a successful design of microelectronics devices is the device simulation. Well-known physical models are used in commercially-available and in-house developed 1D and 2D simulator in order to optimize the performances of SPADs in terms of dark count rate, detection efficiency, timing jitter and afterpulsing. Thanks to the collaboration with the fab, the designed devices have been manufactured after a proper calibration of the production parameters. Test structures and fully-operating SPADs have been produced and tested in order to design of the final high-performance SPADs after a calibration of the modeling equations. As a very innovative result, I have been able to design SPADs and integrated resistances designed on the same chip, without the necessity to add process steps which have been reported in the literature. This advanced pattern has helped to reduce afterpulsing (one of the main defects of InGaAs/InP SPADs) by an important amount.

Negli ultimi anni il mondo scientifico ha rivolto sempre più interesse ad applicazioni che necessitano di conteggio di singoli fotoni e alta risoluzione temporale. Risultati significativi sono stati raggiunti grazie ai foto-diodi a valanga (SPADs) in silicio in diverse aree come la crittografia quantistica, l'astronomia, la rivelazione di single molecole, i decadimenti fluorescenti, le misure di luminescenza, etc. Tuttavia, gli SPAD in silicio non sono in grado di rivelare lunghezze d'onda superiori ai 1100 nm ed è necessario impiegare altri semiconduttori. Il composto III-V InGaAs è utilizzato per assorbire i fotoni nel vicino infrarosso e lo scopo principale di questa tesi è quello di progettare uno SPAD InGaAs/InP a basso rumore. Il primo passo per una corretta progettazione è stato lo sviluppo di un simulatore di dispositivo. Modelli fisici ben noti sono stati utilizzati sia in simulatori commerciali che in un simulatore 1D e 2D sviluppato in casa con lo scopo di ottimizzare le performance degli SPAD in termini di rumore, efficienza, risoluzione temporale e afterpulsing. Grazie alla collaborazione con la fonderia che li ha realizzati è stato possibile pre-calibrare i parametri di produzione e i modelli teorici attraverso strutture di test e SPAD completi. Un risultato innovativo è stata anche la possibilità di progettare SPAD e resistenze di quenching sullo stesso chip, senza la necessità di aggiungere step di processo come invece riportato in letteratura. Questo pattern avanzato ha aiutato a ridurre l'afterpulsing in maniera significativa. Tutti i dispositivi infine sono stati accuratamente caratterizzati per capire quali sono i parametri fondamenti nella progettazione degli stessi.