Topic description
Les photodiodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont des photodétecteurs très appréciés pour la mesure dite de 'temps de vol' dans le proche infrarouge grâce à leur forte sensibilité et grande rapidité [1]. Les SPAD sont facilement intégrables dans les technologies silicium CMOS et les améliorations continues (ingénierie de jonction, lentille, intégration 3D, tranchée d'isolation, nanostructuration etc.) permettent d'obtenir des SPAD avec d'excellentes performances mais limitées aux longueurs d'onde du visible (en pratique jusqu'à nm) [2-4]. Pour les longueurs d'ondes supérieures, nécessaires par exemple pour les applications d'imagerie 3D pour l'aide à la navigation et les communications optiques sans fil, l'association d'architecture complexe et de matériaux photosensibles dans le proche infrarouge (SiGe, Ge, matériaux III-V) devient nécessaire, entrainant une complexité technologique [5-11].
L'INL développe une approche originale en proposant une architecture SPAD hybride III-V sur silicium avec une zone d'absorption en matériau III-V associée à une zone de multiplication dans le silicium avec pour avantages attendus i) une intégration compatible avec les technologies CMOS, ii) une optimisation des performances (bruit et efficacité de détection) mais introduisant plusieurs défis : obtenir une hétérojonction avec de bonnes propriétés de transport électrique, optimiser l'architecture de la SPAD pour maximiser la photogénération et la collecte des charges, développer une approche compatible CMOS. Pour ce projet ; l'INL s'appuie sur ses capacités technologiques notamment la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'alliages III-V et sur un partenariat avec le laboratoire LTM pour la fourniture de substrats optimisés pour cette croissance en minimisant les dislocations traversantes et les parois anti-phase.
Les premières structures de photodiodes à base de matériau III-V sur silicium ont été réalisées et caractérisées avec succès, les futurs travaux se focaliseront sur l'hétérojonction (défauts, barrières etc.) et la proposition d'architectures avec les procédés de fabrication associés.
Cette thèse doit s'appuyer sur ces travaux préliminaires et aura pour objectifs :
- La prise en main et la poursuite de l'optimisation des développements technologiques notamment la passivation,
- La définition d'architectures de photodiodes compatibles au fonctionnement en mode SPAD (Geiger) en passant par l'usage d'outils de simulations TCAD,
- La fabrication des dispositifs en salle blanche,
- La caractérisation de la première SPAD hybride III-V sur silicium.
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Single-photon avalanche photodiodes (SPADs) are highly valued photodetectors for near-infrared time-of-flight measurements due to their high sensitivity and speed. SPADs are easily integrated into silicon CMOS technologies, and continuous improvements (junction engineering, lens design, 3D integration, isolation trenches, nanostructuring, etc.) allow for SPADs with excellent performance, but limited to visible and near-infrared wavelengths (in practice up to nm). For longer wavelengths (Short-Wave Infrared - SWIR), required for example for 3D imaging applications for navigation assistance and wireless optical communications, the combination of complex architectures and near-infrared photosensitive materials (SiGe, Ge, III-V materials) becomes necessary, leading to increased technological complexity.
INL laboratory conducts research on the development of new single-photon avalanche photodiode architectures (Electronics team) and on the heterogeneous monolithic integration of functional materials on silicon, notably by molecular beam epitaxy (Functional Materials and Nanostructures team).
INL laboratory is developing an original approach by proposing a hybrid III-V SPAD architecture on silicon with an absorption region in III-V material combined with a multiplication region in silicon. The expected advantages are i) integration compatible with CMOS technologies, and ii) performance optimization (noise and detection efficiency). However, this presents several challenges: obtaining a heterojunction with good electrical transport properties, optimizing the SPAD architecture to maximize photogeneration and charge collection, and developing a CMOS-compatible approach. For this project, INL is leveraging its technological capabilities, particularly molecular beam epitaxial growth of III-V alloys, and a partnership with the LTM laboratory for the supply of silicon substrates with optimized buffer for this growth by minimizing through-dislocations and antiphase walls.
The first III-V-based photodiode structures on silicon have been successfully fabricated and characterized. Future work will focus on heterojunctions (defects, barriers, etc.) and the development of architectures with associated fabrication processes.
This thesis will build upon this preliminary work and will aim to:
- Master and further optimize technological developments, e.g., material growth, selective etching,
passivation,
- Define photodiode architectures to achieve SPAD (Geiger) mode operation using TCAD simulation
tools,
- Fabricate the devices in cleanroom (NanoLyon Platform),
- Characterize the demonstrators: III-V PiN photodiode on silicon, PN heterojunction, and III-V hybrid
SPAD on silicon.
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Début de la thèse : 01/10/
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Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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