Modelli, simulazioni e caratterizzazione di nuove strutture INGAAS/INP per rivelare singoli fotoni

In the last years, single photon detection has become more and more important when very faint and ultra-fast optical signals have to be measured. Advanced applications are found in many fields, such as measurement of fluorescent decays, characterization of new materials, VLSI testing, quantum cryptography, etc. This thesis is focused on modeling, simulation and characterization of new structure of Single-photon Avalanche Diodes (SPADs) made in InGaAs/InP for the detection of single photons in the near-infrared range, up to 1700 nm. The first part of the thesis is on the analysis of the afterpulsing phenomena. A relation between charge flowing in the SPAD and afterpulsing probability is defined. In this way it is possible to quantify how the quenching circuits are able to reduce afterpulsing. The second part is on the analysis of a new noise, named charge persistence. Interpretations of this phenomenon are suggested and validated by means of some measurements: photon detection efficiency, timing jitter and dark count rate. Moreover some solutions for its reduction are outlined. In the last part of the thesis, two new detectors structures are analyzed: i) arrays of SPAD; ii) SPADs with micro-diffusion pattern. The main problems are investigated and improvements and future design solutions are proposed.

Negli ultimi anni i rivelatori di singoli fotoni sono divenuti sempre più importanti nelle applicazioni dove si ha quantità di luce molto bassa oppure si devono rivelare segnali ottici molto veloci, come ad esempio la misura di decadimenti fluorescenti, il test ottico non invasivo dei circuiti integrati, la crittografia quantistica, ecc. Il presente lavoro di tesi riguarda la modellizzazione, la simulazione e la caratterizzazione di nuove strutture di rivelatori a valanga di singoli fotoni (Single-Photon Avalanche Diodes, SPADs), realizzati in InGaAs/InP, per la rivelazione di singoli fotoni nel vicino infrarosso (fino a circa 1700 nm). La prima parte del lavoro di tesi è stata svolta analizzando in dettaglio il fenomeno dell’afterpulsing e ricavando una relazione tra la probabilità di afterpulsing e la carica passante nello SPAD. In questo modo è possibile quantificare come i sistemi di spegnimento della valanga (passivi o attivi) lo riducano. La seconda parte tratta in dettaglio un nuovo fenomeno di rumore del dispositivo: la persistenza di carica. Sono state formulate varie interpretazioni del fenomeno, valutate tramite varie tipologie di misure: mappe di efficienza relativa, risposta temporale, conteggi del tempo morto. Inoltre sono state ipotizzate alcune soluzioni per la sua riduzione. In ultimo luogo si sono analizzate due nuove strutture di rivelatori: i) array di SPAD; ii) SPAD con pattern di micro-diffusioni. Si sono valutate le maggiori problematiche ad essi correlate, i miglioramenti introdotti e le possibili future soluzioni progettuali.