Riduzione dell'afterpulsing e fenomeni di charge persistence in SPAD InGaAs/InP

Near-infrared (NIR) single-photon detection is an enabling technology in many scientific and industrial fields and is driving many efforts worldwide. Among the different technologies available for photon counting and time-correlated photon counting, single photon detectors based on avalanche diode structures (SPADs) are frequently the best choice for applications requiring not only high performance, but also high reliability and ease of implementation. However all the technologies presently available for developing infrared-sensitive SPADs in materials different from silicon (III–V compound semiconductors, Si–Ge) lag far behind silicon technology and require further progress. In detail there is a need for higher counting rates, but afterpulsing is the main limitation. Moreover the newly discovered charge persistance phenomenon, which is the increased background noise observed when a large amount of light illuminates the SPAD during the hold-off time, has emerged as limitation of SPAD performance in some applications. This thesis work is on th experimental characterization and modeling of InGaAs/InP SPADs designed at Politecnico di Milano and fabricated by the National Research Council (NRC) of Canada. The first part of this thesis work is dedicated to the characterization and modeling of the charge persistence effects. The most accepted explanation to this afterpulse-like noise involves trapping of photogenerated carriers in the multiplication region. However this interpretation cannot justify the trends we observed in the experimental results. A new theory is proposed, which involves holes confinement at the heterobarrier and diffusion of carriers from the generation point to the active area. The second part of this work describes an exhaustive characterization of the afterpulsing effects of InGaAs/InP SPADs with monolithically integrated passive quenching circuit (iPQC). These devices were designed by the SPADlab research group to provide a strong afterpulsing reduction through parasitism minimization. In order to perform such a characterization, we also developed a custom setup, including dedicated avalanche readout circuits.

Sempre più applicazioni richiedono dispositivi capaci di rivelare impulsi luminosi molto deboli (a livello di singolo fotone) ed estremamente veloci. I vantaggi indiscussi dei rivelatori allo stato solido in termini di affidabilità, robustezza e compattezza hanno motivato lo sviluppo dei Single-Photon Avalanche Diodes (SPAD). Gli SPAD realizzati in silicio rappresentano ad oggi lo stato dell’arte nella rivelazione di singoli fotoni all’interno dello spettro visibile, ma non possono essere utilizzati per rivelare fotoni nel vicino infrarosso. Per le lunghezze d’onda nel vicino infrarosso sono stati sviluppati Single- Photon Avalanche Diode (SPAD) in InGaAs/InP che hanno buona efficienza da 900 nm a 1700 nm. Il progetto di queste eterostrutture è reso difficoltoso dal processo produttivo per materiali III/V che è meno sviluppato che per il silicio e produce una maggiore concentrazione di difetti. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è la caratterizzazione del terzo run di produzione degli SPAD in InGaAs/InP sviluppati dalla collaborazione tra lo SPADlab del Politecnico di Milano e il National Research Counsil canadese. Dopo una prima fase in cui sono state valutate sperimentalmente le prestazioni dei nuovi dispositivi prodotti, mi sono occupato dello studio di un fenomeno poco discusso in letteratura e per il quale non è mai stata eseguito un lavoro di caratterizzazione approfondita. In particolare, nell’utilizzo in gated mode, si è evidenziato un aumento del tasso di conteggi di buio correlato con l’illuminazione del dispositivo negli istanti precedenti l’abilitazione. Per questo fenomeno è stata eseguito un approfondito lavoro di caratterizzazione che ha portato a una nuova interpretazione. L’ultima parte del presente lavoro di tesi si occupa della caratterizzazione e della modellistica di nuove strutture di SPAD in InGaAs/InP, ideate per ridurre il fenomeno dell’afterpulsing che limita la massima frequenza di conteggio. Nello specifico si è studiato l’impatto sull’afterpulsing dell’utilizzo di una resistenza integrata.