Développement de SPADs (Single Photon Avalanche Diodes) à cavité de germanium sur silicium en intégration 3D avec une technologie silicium CMOS 40nm

Development of SPADs (Single Photon Avalanche Diodes) with germanium cavity on silicon in 3D integration with 40nm CMOS technology

• Auteur / Autrice : Younes Benhammou
• Direction : Francis Calmon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : EEA (Électronique, Électrotechnique et Automatique)
• Date : Soutenance le 15/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Anne Kaminski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Calmon, Anne Kaminski, Thierry Baron, Marco Pala, Raphaël Clerc, Norbert Moussy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Thierry Baron, Marco Pala

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diodes à avalanche

Mesures électroniques

Mots clés libres

Electronique

Diode à avalanche

Cmos

Composant CMOS - Complementary Metal Oxide SemiConductor

Détection

Germanium

Silicium

Simulation TCAD

Caractérisation électro-Optique

Hétérojonction

Electronics

Avalanche Diode

CMOS circuit

CMOS - Complementary Metal Oxide SemiConductor

Detection

Germanium

Silicium

TCAD simulation

Electro Optical Property

HeteroJunction

Résumé

Cette thèse porte sur une famille de photo-détecteurs appelés SPAD pour Single Photon Avalanche Diodes qui sont des jonctions PN polarisées en inverse au-delà de la tension de claquage. Les diodes SPADs sont reconnues pour présenter de très bonnes performances en détection de faibles flux lumineux avec une réponse extrême rapide. Afin d’améliorer l’efficacité de détection dans le proche infrarouge de diodes SPAD sur silicium, les objectifs de la thèse sont de concevoir, fabriquer et caractériser une nouvelle génération de photodiodes SPADs dans une technologie CMOS 40nm en intégrant une cavité de germanium. Les travaux menés comportent i) un volet conception en utilisant des outils de simulation TCAD pour proposer une architecture originale optimisée, ii) le développement du flot complet du procédé technologique avec la création de nouvelles briques telles que la gravure de la cavité et l’épitaxie de germanium dopé in-situ, 3) la caractérisation électro-optique des composants issus des premiers lots fabriqués. Les analyses et interprétations des résultats obtenus révèlent la difficulté technologique pour réaliser une hétérojonction silicium-germanium sans défauts et une couche germanium de qualité. Néanmoins, les mesures réalisées ont démontré la capacité de cette nouvelle famille de SPAD à cavité de germanium sur plateforme silicium pour détecter les flux jusqu’à 1300nm, démontrant un fort potentiel applicatif pour les applications d’aide à la navigation.

This thesis deals with a family of photo-detectors called SPAD for Single Photon Avalanche Diodes which are a PN junctions reverse biased beyond the breakdown voltage. SPADs diodes are known to have very good performance in detecting low light fluxes with an extremely fast response. In order to improve the near infrared detection efficiency of SPAD diodes on silicon, the objectives of the thesis are to design, manufacture and characterize a new generation of SPAD photodiodes in 40nm CMOS technology by integrating a germanium cavity. The work carried out includes i) design and simulation using TCAD tools to propose an optimized original architecture, ii) development of the process flow in industrial imager technological with the creation of new bricks such as etch of the cavity and epitaxy of germanium in-situ doped 3) the electro-optical characterization of the manufactured devices. The results obtained reveal technological difficulty to produce a silicon-germanium heterojunction without defects. Nevertheless, the measurements carried out demonstrated the ability of this new family of germanium cavity SPADs on a silicon platform to detect wavelengths up to 1300nm, demonstrating a strong potential for time of light applications.