Progetto di un setup automatizzato per la caratterizzazione di single photon avalanche diode

Le tecniche di photon counting e di time-correlated photon counting sono state sviluppate negli anni sfruttando la capacità dei Photo Multiplier Tube (PMT) di rivelare il singolo fotone. Gli ultimi anni hanno visto però la nascita di dispositivi a semiconduttore, chiamati Single Photon Avalanche Diode (SPAD), in grado di superare molte delle limitazioni dei PMT: questi ultimi infatti sono fragili e ingombranti, non sono adatti ad essere utilizzati in array e hanno bassa efficienza nel rosso e nel vicino infrarosso. Per questi motivi gli SPAD ricoprono un ruolo di assoluta importanza in applicazioni scientifiche come la Single Molecule Spectroscopy (SMS) basata su Förster Resonance Energy Transfer (FRET). Di conseguenza risulta fondamentale fabbricare rivelatori in grado di rispondere alle specifiche richieste: basso Dark Count Rate (DCR), elevata Photon Detection Efficiency (PDE) ed eccellente risoluzione temporale. L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di sviluppare nuovi strumenti per la caratterizzazione sperimentale dei rivelatori SPAD che sono stati fabbricati durante il Run 1 (2013) al Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF). In particolare, questo run è stato eseguito utilizzando più split di processo: quindi caratterizzare questi rivelatori vuol dire anche approfondire l’effetto dei vari processi sulle loro performance. Per fare ciò però è necessario misurare le proprietà di un numero molto elevato di SPAD: a tale scopo è stato sviluppato un sistema di misura automatizzato della caratteristica I-V e del DCR, che ha permesso la caratterizzazione in pochi giorni di più di mille dispositivi. Inoltre, per meglio comprendere le cause di DCR nei nuovi rivelatori, è stato sviluppato un ulteriore setup sperimentale, in grado di caratterizzare i conteggi di buio al variare della temperatura e della tensione di polarizzazione. Questi due parametri infatti influenzano il DCR in maniera significativa e capire le dipendenze da queste due grandezze spesso vuol dire dedurre importanti informazioni sui contaminanti e sui difetti dei dispositivi. Quest’ultimo sistema di misura è stato infine integrato in un sistema già esistente, per permettere anche la caratterizzazione della PDE, sempre al variare della temperatura e della tensione di polarizzazione. I dati raccolti consentiranno di migliorare il processo di fabbricazione e di sviluppare nuovi modelli matematico-fisici che descrivano il comportamento degli SPAD.