Caratterizzazione di SPAD InGaAs/InP e modelli di charge persistence

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 Avalanche Diodes (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 currently available for infrared-sensitive SPADs in materials different from silicon (III–V compound semiconductors, Germanium) are placed far behind silicon technology in terms of development and require further progress. The goal of the present thesis is the characterization of the fourth production run of InGaAs/InP SPADs developed from the collaboration between SPADlab laboratory of Politecnico di Milano and the Canadian National Research Council located in Ottawa. In the first phase of the work, performances of the new devices were experimentally evaluated. The next phase consisted in the study of an unexplored phenomenon, not well discussed in literature, for which a detailed characterization was never performed before. The aforementioned phenomenon consists in an increase of dark count rate correlated with illumination during the OFF time of the devices, when operated in gated mode (i.e. with a sequence of ON and OFF time periods). An accurate work of characterization and modeling was performed for this effect, leading to a deep insight of its physical nature and to the development of a new theory, which involves holes confinement at the heterobarrier and diffusion of carriers from the generation point to the active area. The theory is in accordance with the experimental results. In the last part of the work a number of solutions to limit its detrimental effects are proposed and proof of the benefits obtained from the application of one of the proposed methods is reported.

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 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 introduce una maggiore concentrazione di difetti. L’obiettivo del presente lavoro di tesi è la caratterizzazione del quarto “run” di produzione degli SPAD in InGaAs/InP sviluppati dalla collaborazione tra lo SPADlab del Politecnico di Milano e il National Research Council di Ottawa (Canada). Dopo una prima fase in cui sono state valutate sperimentalmente le prestazioni dei nuovi dispositivi prodotti, è stato studiato un fenomeno poco discusso in letteratura e per il quale non è mai stato eseguito un lavoro di caratterizzazione e modellistica. In particolare, nell’utilizzo in gated mode in cui si alternano intervalli di abilitazione con altri in cui il dispositivo è polarizzato sotto la tensione di breakdown, si è evidenziato un aumento del tasso di conteggi di buio (dark count rate) correlato con l’illuminazione del dispositivo negli istanti precedenti l’abilitazione. Per questo fenomeno è stata svolta un’attività approfondita di caratterizzazione sperimentale e modellistica fisica ed è stata proposta una nuova interpretazione, validata dalle prove sperimentali. L’ultima parte del presente lavoro di tesi si occupa delle possibili soluzioni che permettono di limitare gli effetti deleteri del fenomeno e presenta le prove dei benefici derivati dall’applicazione di una di esse.