Modélisation et simulation du comportement électrique et de l'efficacité d'extinction des diodes à avalanche à photon unique

Modeling and simulation of the electrical behavior and the quenching efficiency of Single-Photon Avalanche Diodes

• Auteur / Autrice : Yassine Oussaiti
• Direction : Marco Pala, Denis Rideau, Philippe Dollfus
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies
• Date : Soutenance le 29/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de nanosciences et de nanotechnologies (Palaiseau, Essonne ; 2016-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Arnaud Bournel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Calmon, Raphaël Clerc, Anne Hemeryck
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Francis Calmon, Raphaël Clerc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de photons

ISO/SPICE, Modèle

Monte-Carlo, Méthode de

Conception assistée par ordinateur

Mots clés libres

Diode à avalanche à photon unique (SPAD)

Conception et dessin assistés par ordinateur (TCAD)

Méthode Monte Carlo

Modélisation Verilog-A

Dynamique de l'avalanche

Efficacité d'extinction

Single-Photon Avalanche Diode (SPAD)

Technology Computer-Aided Design (TCAD)

Monte Carlo method

Verilog-A modeling

Avalanche dynamics

Quenching efficiency

Résumé

Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont apparues comme les photodétecteurs les plus pratiques pour de nombreuses applications de comptage de photons, tirant parti de leurs efficacités de détection élevées et de leurs réponses rapides. Au cours des dernières années, leurs règles de conception ont évolué pour atteindre des performances plus agressives. Habituellement, des compromis sont nécessaires pour répondre aux différentes contraintes.Pour faire face à ces défis technologiques, le développement de modèles fiables pour décrire le fonctionnement du dispositif et prédire les facteurs de mérite pertinents est obligatoire. De toute évidence, les solveurs numériques doivent être à la fois basés sur la physique et efficaces en terme de calcul.Les travaux de cette thèse visent à améliorer la modélisation des SPADs en silicium, en se concentrant sur l'accumulation de l'avalanche et l'efficacité de son extinction. Après un aperçu de l'état de l'art, nous étudions différentes architectures de ces dispositifs et les potentielles améliorations technologiques à l'aide des méthodes TCAD. Nous soulignons le rôle des modèles calibrés et des lois de scalabilité dans la prédiction de la réponse électrique.De surcroît, nous présentons un modèle Verilog-A pour simulater l'accumulation temporelle du courant dans les SPADs. Les paramètres importants de ce modèle sont ajustés aux prédictions TCAD. Les simulations SPICE résultantes se comparent favorablement aux mesures, permettant à un concepteur d'imageurs à base de SPADs d'optimiser les circuits.Vu que les outils TCAD standards sont basés sur des modèles déterministes, la description stochastique des porteurs est limitée. Par conséquent, des algorithmes Monte Carlo sont utilisés pour simuler le comportement statistique de ces photodiodes, avec une attention particulière portée à l'efficacité de la détection de photons et la résolution temporelle. Le bon accord entre les résultats de simulation et ceux de l'expérimentation témoigne de la précision de la méthode, et démontre sa capacité à aider au développement des nouvelles générations de SPADs.

Single-photon avalanche diodes (SPADs) emerged as the most convenient photodetectors for many photon-counting applications, taking advantage of their high detection efficiencies and fast timing responses. Over the past years, their design rules have been evolving to reach more aggressive performances. Usually, trade-offs are required to meet the different constraints.To face these technological challenges, the development of reliable models to describe the device operation and predict the relevant figures-of-merit is compulsory. Evidently, the numerical solvers must be both physics-based and computationally efficient.This Ph.D. work aims to improve the modeling of silicon SPADs, focusing on the avalanche build-up and the quenching efficiency. After a state-of-the-art overview, we investigate various device architectures and potential technological improvements using TCAD methods. We highlight the role of calibrated models and scalability laws in predicting the electrical response.Furthermore, we present a Verilog-A model accounting for the temporal current build-up in SPADs. The important parameters of this model are fitted on TCAD mixed-mode predictions. Importantly, the resulting SPICE simulations of the quenching compare favorably with measurements, allowing a pixel designer to optimize circuits.Since standard TCAD tools are based on deterministic models, the stochastic description of carriers is limited. Hence, Monte Carlo algorithms are used to simulate the statistical behavior of these photodiodes, with a particular attention on the photon detection efficiency and timing jitter. The good agreement between simulation results and experiments confirms the method's accuracy, and demonstrates its ability to assist the development of new generation SPADs.