KIP-Veröffentlichungen

Diese Arbeit untersucht das Design, die Entwicklung und die Charakterisierung einer neuartigen Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD), die in Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer Technologie hergestellt wird und für blaues und Nah-UV-Licht (NUV) empfindlich ist.  SPAD?Sensoren sind Halbleiter-Photodetektoren, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, einzelne Photonen mit geringem Rauschen und hoher Effizienz zu erkennen.

Erste TCAD-Synopsys-Simulationen zeigen die Machbarkeit des Entwurfs und ermöglichen die Festlegung der Abmessungen und Prozessparameter für den Sensor.  Die Schlüsselparameter, einschließlich der Dotierungskonzentrationen, Übergangstiefen und der Verteilung des elektrischen Feldes, werden optimiert. Die Ergebnisse dieser Simulationen ergaben eine Durchbruchspannung von 15,25 V und eine Photonendetektionswahrscheinlichkeit von 44 % bei einer Wellenlänge von 405 nm. 

Mit der Herstellung von SPAD ist ein Konzeptnachweis möglich, indem ein funktionierender Quench-Mechanismus gemessen wird, obwohl die beobachtete Durchbruchspannung viel höher als erwartet ist. Die Diskrepanzen zwischen den simulierten und den experimentellen Ergebnissen werden mit zusätzlichen Tests, wie z. B. einem Lichtemissionstest und Sekundärionen-Massenspektroskopie, weiter untersucht, was auf ein Missverhältnis der Dotierungskonzentrationen hindeutet. In dieser Studie wird ein überarbeitetes Design mit angepassten Dotierungskonzentrationen vorgeschlagen, das simuliert wurde, um seine Auswirkungen auf die Leistung zu bewerten, insbesondere im Hinblick auf den p?n-Übergang.  Es wird erwartet, dass diese Verfeinerungen die experimentellen Ergebnisse besser mit den Simulationen in Einklang bringen und das SPAD-Design für eine bessere Photonenerkennung im UV- und NUV?Wellenlängenbereich verbessern.

 This thesis investigates the design, development, and characterization of a novel single photon avalanche diode (SPAD), fabricated in silicon-on-insulator (SOI) wafer technology, for blue and near-UV (NUV) light sensitivity. SPAD sensors are semiconductor photodetectors known for their ability to detect single photons with low noise and high detection efficiency.

Initial TCAD Synopsys simulations demonstrate the design’s feasibility and allow for specifying dimensions and process parameters for the sensor. The key parameters, including doping concentrations, junction depths, and electric field distribution, are optimized. The results of these simulations indicated a breakdown voltage of 15.25 V and a photon detection probability of 44% at 405 nm of wavelength.

With the production of SPAD, a proof-of-concept is possible by measuring a working quench mechanism, although the observed breakdown voltage is much higher than expected. Discrepancies between the simulated and experimental results are further investigated with additional tests, such as a light emission test and secondary ion mass spectroscopy, pointing to a mismatch in doping concentrations.

This study proposes a revised design with adjusted doping concentrations, which has been simulated to evaluate its impact on performance, especially concerning the p-n junction. These refinements are expected to align the experimental results more closely with the simulations, enhancing the SPAD design for better photon detection in the UV and NUV wavelength range.