Analisi e caratterizzazione sperimentale di SPAD ad elevata efficienza di fotorivelazione

During the last decades, special semiconductor detectors, called single photon avalanche diodes (SPAD) have been worked up and elaborated to detect single photons. In the literature they have also been referred to as Geiger-mode avalanche photodiodes or triggered avalanche detectors. Basically, these devices consist of a p-n junction reverse biased at a fi xed overvoltage with respect to the breakdown voltage. When a photon impings on the surface it can be absorbed by the active area and generates an electron-hole pair; this one can be accelerated by the electric fi eld, and if it manage to reach a suf- cient level of energy it can trigger an avalanche as a consequence of the impact ionization phenomenon. The huge photogenerated current can be detected by a quenching circuit and the photon is revealed. Signi cant experimental results have been obtained with these techniques in several fields: basic quantum mechanics, cryptography, astronomy, single molecule detection, luminescence microscopy, biology, chemistry, material science, fl uorescent lifetime decays, optical fiber testing in communications. Currently available devices are characterized by good properties such as low dark count rate, high photon detection e fficiency (PDE) and excellent temporal resolution. Naturally some of these properties are con flicting, for example DCR and temporal resolution degrade as the active area is increased. Thanks to the improvements in fabrication technology and in device engineering as well as to the development of new front end circuits, the limits sets by these trade off have been moved considerably further in the last few years. For example, are now available devices with an active area of 200 micron, a temporal resolution of 35 ps FWHM and a DCR of few thousand counts per seconds when cooled down to - 15 C. Good performance in the Near Infrared range is due to the wide area of interest where these wavelengths are required, such as high bit-rate, short wavelength quantum key distribution and in vivo molecular imaging for life sciences applications. The most straightforward way of achieving higher PDE in SPAD detectors is to increase the depletion region thickness, a similar structure is used in the so called Red Enhanced SPAD. However, the need of ensuring a high electric fi eld strenght (above the critical valure of breakdown) over a thick depletion layer leads to high operating voltage, causing substantial power dissipation and self-heating problems, which cause the increase of DCRs. Furthermore there's a non-trivial worsening of the temporal response. In the last few years, in the laboratory where this work has been carried out, has been developed a new typology of SPAD devices (Red-Enhanced SPAD) whose features are very high PDE in the Near Infrared (for example 40% at 800 nm) without degrading the temporal response (FWHM<100ps). One of the aims of this work of thesis has been the experimental characterization of some Red Enhanched SPAD like those above mentioned. Anyway, considering the remarkable advantage of a high e fficiency structure without needing the growth of the thickness of the active layer, recently have been created and developed devices with high detection e fficiency in the Near Infrared range. A Fabry-Perot cavity can be exploited to enhance the optical fi eld inside the SPAD detector at resonant wavelengths. Such a resonant cavity can be formed using a buried re flector as bottom mirror and multidielectric layers as top mirror. This approach enables higher PDE at the same depletion region thickness, thus avoiding adverse e ffects on photon timing resolution and power dissipation. Resonant cavity enhanced (RCE) photodetectors have been the focus of extensive research over the past decade in the design of high bandwidth-e fficiency product p-i-n and avalanche photodetectors working in linear mode. Therefore, during this thesis we simulated and analyzed the behavior of resonant cavity devices for a speci c application, which was optical communications in the space. It was necessary to describe a physical model for the cavity and in order to do so we had to optimize the refl ectivity of the mirrors and to verify their actual feasability. We studied the e ffeect of the manufacturing tolerances on the performances of the device. Because of these tolerances it is not possibile to with high precision the resonant wavelenght of the cavity. So we needed to find an approach to realize a tuning of the cavity through non-invasive methods that could be used directly in the device without modifying the manufacturing process, like changing the temperature or the light angle of incidence. This analysis showed that these procedures could be used only for a very fine tuning of the cavity but cannot be used otherwise. Other techniques can be considered, but these involve to act in the manufacturing process. Another goal of this work was to develop a mathematical-physical model of the device in order to study the detection e fficiency. This is a very hard task, beacuse the detection effi ciency is made up of di fferent contributes such as re flection, absorption, carriers di ffusion and triggering effi ciency. So, to simplify this problem, we decided to analyze the quantum effi ciency of the device biased below breakdown voltage. Under this working conditions there is no more dependence on the avalanche triggering e ciency, therefore it is possibile to focus only on absorption and collection e fficiencies. These terms are indicative of the device quality and, because of their dependence on the above mentioned factors, it is possible to optimize them. In this state the photodetection does not trigger an avalanche but it can be revealed by measuring the photocurrent. Since all the hole-electron pairs contribute to the photocurrent, the expected result is a quantum e fficiency higher than the effi ciency measured over breakdown.

Nel corso degli ultimi decenni è avvenuta la nascita e l'evoluzione di speciali dispositivi a semiconduttore, chiamati SPAD (Single Photon Avalanche Diode), in grado di rivelare il singolo fotone. In letteratura ci si riferisce ad essi anche come fotodiodi operanti in Geiger-mode. Gli SPAD sono essenzialmente giunzioni p-n polarizzate in inversa ad una tensione superiore al breakdown di una quantità fissata. Nel momento in cui arriva un fotone sull'area attiva si genera una coppia elettrone lacuna che può essere accelerata dal campo elettrico, e, se riesce a raggiungere un'energia suff iciente, può dare vita al fenomeno di ionizzazione per impatto e innescare il processo di moltiplicazione a valanga. La corrente macroscopica fotogenerata viene rivelata da un apposito circuito di rivelazione della valanga, e quindi del fotone, che si occupa dello spegnimento della stessa. Questi dispositivi hanno svariati ambiti di applicazione, sia scienti ci che industriali, come nella spettroscopia a fluorescenza per bioscienze o scienze dei materiali, elaborazione e crittogra fia quantistica, misurazioni del tempo di volo, particle sizing, meccanica quantistica, analisi di curve di fluorescenza, e così via. Gli SPAD sono caratterizzati da buone proprietà quali un basso rate di conteggi di buio (DCR), elevata effi cienza di rivelazione (PDE) ed eccellente risoluzione temporale. E' naturale che alcune di queste proprietà siano in con flitto tra loro, ad esempio i conteggi di buio e la risoluzione temporale peggiorano al crescere dell'area attiva. Tuttavia, grazie al miglioramento della tecnologia di fabbricazione e allo sviluppo di nuovi circuiti di front-end, questi limiti imposti dai trade-off sono stati superati negli ultimi anni. Per esempio, adesso esistono dispositivi con un'area attiva dal diametro di 200 micron, una risoluzione temporale con 35 ps di FWHM e un tasso di conteggi di buio di poche migliaia al secondo a basse temperature (-15 C). Resta ancora in parte irrisolto il problema di combinare un'alta effi cienza di rivelazione con una buona risoluzione temporale per le lunghezze d'onda più elevate (dal rosso al vicino infrarosso). Infatti gli SPAD sottili sono caratterizzati da un'eccellente risoluzione temporale ma il ridotto spessore dello strato di assorbimento limita fortemente la PDE per lunghezze d'onda superiori agli 800 nm (Near Infrared, NIR). Invece gli SPAD più spessi (thick SPAD) riescono ad ottenere una buona e fficienza di rivelazione anche nel vicino infrarosso a spese però della risoluzione temporale che subisce un signi cativo peggioramento. L'interesse ad avere delle buone prestazioni dello SPAD nel vicino infrarosso è dovuto ai vari ambiti in cui è richiesto o previsto l'uso di tali lunghezze d'onda, come ad esempio nel campo della crittografi a quantistica, o per recenti sistemi di imaging digitale, per imaging molecolare in vivo, o per sistemi di comunicazione ottica a lungo raggio in campo spaziale. Il modo più semplice per ottenere una maggiore effi cienza nel NIR sarebbe aumentare l'estensione della regione di svuotamento. Questo comporta però l'uso di un campo elettrico più elevato, quindi un maggiore dispendio energetico e eventuali problemi di surriscaldamento del dispositivo, con conseguente aumento dei conteggi di buio. Inoltre c'è da tenere in conto il peggioramento della risoluzione temporale.Negli ultimi anni, nel laboratorio in cui questo lavoro è stato svolto, è stato progettato e sviluppato una nuova tipologia di SPAD (Red- Enhanced SPAD) che permette di ottenere una elevata PDE nel vicino infrarosso (ad esempio 40% a 800nm) senza sacri ficare eccessivamente la risoluzione temporale (FWHM<100ps). Uno degli aspetti a ffrontati in questo lavoro di tesi è la caratterizzazione sperimentale di alcuni SPAD appartenenti a questa topologia. Nonostante gli SPAD Red-Enhanced consentano di arrivare ad avere un'e cienza persino del 35 % a 850 nm, a spese di un'allargamento della FWHM della risposta temporale comunque contenuto (93 ps) e tale da non in fciare le operazioni di counting, non si può trascurare il grande vantaggio che si potrebbe trarre da una struttura che consentisse di raggiungere un'effi cienza elevata, senza necessariamente dover aumentare lo spessore della zona attiva. Questo ha portato nel corso degli anni ad ideare e perfezionare dei dispositivi noti come SPAD a cavità risonante (Resonant Cavity Enhanced, RCE). Questi sono realizzati inserendo lo SPAD all'interno di una cavità Fabry-Perot in modo da aumentare il campo elettrico nel dispositivo alla frequenza di risonanza. La cavità risonante può essere formata usando uno specchio sepolto immediatamente sotto il buried layer mentre lo specchio superiore può essere formato deponendo un multistrato dielettrico. Tale approccio, inizialmente introdotto per combinare effi cienza quantica e banda elevate nei fotodiodi p-i-n, permettono quindi di migliorare notevolmente la PDE nel NIR senza gli e etti indesiderati del Red Enhanced. Uno degli scopi di questo lavoro di tesi è lo studio di fattibilità e l'ottimizzazione di uno SPAD a cavità risonante. Il primo passo è stato dimensionare una cavità risonante per una specifi ca applicazione, ovvero quella di un sensore da usare in comunicazioni ottiche in campo spaziale. Questo ha rihiesto la modellizzazione della cavità ottimizzando i valori di ri flettività degli specchi, veri fcandone l'e ffettiva realizzabilità. Una prima analisi è stata rivolta allo studio dell'eff etto delle tolleranze di fabbricazione sulle prestazioni. A causa delle incertezze e delle tolleranze non è possibile realizzare direttamente un dispositivo con risonanza alla lunghezza d'onda desiderata. Si rende necessario ideare e studiare dei metodi per e ffettuare il tuning della cavità. A tal proposito abbiamo valutato la possibilità di usare metodi di tuning non-invasivi applicabili direttamente sul dispositivo senza modif carne il processo di fabbricazione: la variazione della temperatura di lavoro e la variazione dell'angolo di incidenza del fascio luminoso. Da queste analisi si evince che per quanto questi metodi possano rivelarsi utili per un tuning fine della lunghezza d'onda di risonanza, non sono comunque su fficienti. Dunque è possibile proporre metodi alternativi che richiedono però di intervenire sulla fabbricazione del dispositivo. La progettazione di SPAD ad alta PDE, basati o meno su cavità risonante, richiede la disponibilità di modelli fisico-matematici per la simulazione dell'e fficienza di rivelazione al variare dei parametri del rivelatore. La realizzazione di tali modelli è particolarmente complessa in quanto l'e fficienza di fotorivelazione presenta diverse dipendenze da vari fattori, quali la ri flessione, l'assorbimento, la diff usione dei portatori e l'e fficienza di innesco; ragion per cui risulta particolarmente di fficile da analizzare e calcolare. Un'idea per sempli ficare il problema può essere quella di polarizzare il dispositivo sotto breakdown e calcolarne l'effi cienza quantica in regime lineare. In questo modo quindi si perde la dipendenza dalla casualità del fenomeno di innesco della valanga, che fra tutti è il più diffi cile da modellizzare. In questo modo si può focalizzare l'attenzione sulle e fficienze di assorbimento e di raccolta. Questi due termini sono fortemente indicativi della bontà del dispositivo e hanno una dipendenza dai fattori precedentemente elencati per cui è possibile studiare le condizioni necessarie alla loro ottimizzazione. Poiché, in queste condizioni di polarizzazione scompare il termine di e fficienza di innesco, per rilevare il fotone non bisogna più aspettare l'attivazione della valanga ma si misura la fotocorrente. Considerando che tutte le coppie generate concorrono alla fotocorrente, quello che ci si aspetta, in questo caso, è che l'effi cienza di rivelazione sia più elevata dell'eff cienza misurata sopra breakdown.