Single Photon Avalanche Diode (SPAD)

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Qui vengono presentate le misure di test volte a valutare le prestazioni dei diodi a valanga Single Photon Avalanche Diode (SPAD) sviluppati dalla ST Microelectronics.

SPAD è una giunzione p-n distorta sopra la rottura. In questa condizione operativa una coppia buco-elettrone, generata nello strato di svuotamento, provoca una valanga, misurabile come corrente. Il diodo funziona come un singolo rivelatore di fotoni con un guadagno infinito. La Figura 1 mostra la struttura dell'ultima generazione di SPAD e quella del layout di un array. La corrente fluisce nel diodo fino a quando il circuito di azionamento, il circuito di spegnimento attivo (AQC), disattiva la polarizzazione per un tempo morto e quindi la ripristina. In questo modo lo SPAD è pronto per un altro evento. Questo tempo di spegnimento, definito "tempo di attesa", dipende fondamentalmente dalla qualità dello SPAD. La Figura 2 mostra lo schema a blocchi del circuito di spegnimento realizzato da un DRIVER che fornisce la polarizzazione, un COMPARATORE che attiva il monostabile quando si verifica un evento. Il monostabile genera l'impulso di blocco.

Figura 1. La struttura del dispositivo SPAD (sx) e il layout array (dx).

Figura 2. Schema a blocchi del circuito di spegnimento attivo

CARATTERIZZAZIONE DI SPAD

L'apparato strumentale utilizzato per le misurazioni dell'efficienza quantica è quello descritto qui. Il sistema di caratterizzazione è stato predisposto per consentire l'interfacciamento ottico con lo SPAD. Infatti, dopo essere stato disperso, il raggio entra in una sfera integratrice, in cui sono montati sia lo SPAD che il fotodiodo calibrato. Il sistema di acquisizione legge allo stesso tempo i conteggi di SPAD e la corrente misurata dal fotodiodo calibrato. Prima di misurare la QE degli SPAD di diverse aree attive (10, 20, 50 e 100 µm), abbiamo misurato la tensione di rottura di ciascun dispositivo e impostato il valore della tensione di polarizzazione tra il 10% e il 20% al di sopra di questo valore. Una tensione di breakdown tipica è di circa 30 volt. L'efficienza qunatica (QE) dello SPAD, misurata nell'intervallo 350 - 1050 nm, è sostanzialmente quella tipica di un rivelatore di silicio e mostra un picco di circa il 60% a 550 nm per dispositivi con diametro di 100 µm. Abbiamo misurato la QE a diverse tensioni di polarizzazione e abbiamo scoperto che questa aumenta con la tensione di polarizzazione. Le misure mostrano anche un aumento dell'efficienza con il diametro dello SPAD. Quest'ultimo risultato è inaspettato perché le misurazioni di QE sono normalizzate per area. Un'ipotesi è che ci sia una piccola area attorno al pixel con una sensibilità inferiore, a causa del processo di fabbricazione. In effetti, l'effetto diventa meno evidente per i dispositivi con un'area più ampia.

Figura 3. Efficienza quantica alla tensione di polarizzazione del 20% al di sopra della tensione di rottura

Conteggi di dark

La corrente oscura può essere prodotta dalla generazione termica e da quella di afterpulse. I conteggi di dark aumentano con la tensione di polarizzazione perché il campo elettrico più elevato aumenta la probabilità di valanga ed il volume di depletion. L'afterpulse dipende dal seguente fenomeno: durante la valanga, alcuni portatori possono essere intrappolati nello strato di depletion e rilasciati dopo un certo tempo. Se questo ritardo è maggiore del tempo di attesa, la carica  rilasciata genera una valanga denominata "after-pulsing". Per ridurre l'effetto di after-pulsing, è stato necessario aumentare il tempo di hold-off sebbene ciò riduca la frequenza di conteggio. Entrambe le cause dei conteggi oscuri dipendono dai difetti nella regione di svuotamento e possono essere ridotte con un processo di fabbricazione più pulito. I conteggi del buio sono misurati a 20 °C, con un tempo di attesa di 360 nsec che riduce l'effetto dell'afterpulsing. Nella Tabella 1 sono mostrati i risultati di misurazioni di conteggi di dark in SPAD di 20 µm a varie tensioni di polarizzazione. I risultati evidenziano la dipendenza dei conteggi di dark dalla tensione di polarizzazione.

Tabella 1. Conteggi di dark di uno SPAD da 20µm a 20°C.

Linearità

La linearità viene misurata utilizzando un metodo standard, che consiste nell'illuminare i rivelatori a diversi livelli di segnale con una sorgente di radiazione uniforme. Nella tabella 2 è mostrata la deviazione dalla linearità. Le misurazioni mostrano che la deviazione dalla linearità è molto bassa e che non vi sono variazioni nella QE nell'intervallo di misurazioni.

Tabella 2. Linearità di uno SPAD da 50µm.

STM ha sviluppato due matrici di 5 X 5 elementi, con dimensioni pixel di 20 e 40 µm di diametro e sono state condotte diverse misure di caratterizzazione sui vari parametri elettro-ottici.