Etude des mécanismes de vieillissement du bruit de photodiode à avalanche à photon unique pour l'imagerie par temps de vol

Study of the noise aging mechanisms in single-photon avalanche photodiode for time-of-flight imaging

• Auteur / Autrice : Mathieu Sicre
• Direction : Francis Calmon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, micro et nanoélectronique, optique et laser
• Date : Soutenance le 06/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanotechnologies de Lyon (Ecully, Rhône) - Institut des Nanotechnologies de Lyon - Site de l'INSA / INL
• Jury : Président / Présidente : Cristell Maneux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Calmon, Cristell Maneux, Lucio Pancheri, Quentin Rafhay, Vincent Goiffon
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lucio Pancheri, Quentin Rafhay

Mots clés

Mots clés contrôlés

MOS complémentaires

Diodes à avalanche

Électronique

Mots clés libres

Electronique

Diode à avalanche à photon unique

Taux de comptage dans l’obscurité

Fiabilité

Dégradation type porteurs chauds

Conception assistée par ordinateur

Méthode de Monte Carlo

Caractérisation électro-Optique

Claquage par avalanche

Electronic Board

Single Photon Avalanche Diode (SPAD)

Dark Count Rate (DCR)

Reliability

Hot-Carrier Degradation (HCD)

CAD - Computer-Aided design

Monte Carlo method

Electro-Optical characterization

Avalanche collapse

Résumé

Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont utilisées pour les capteurs à temps de vol afin de déterminer la distance d'une cible. Cependant, ils sont sujets à des déclenchements parasites par des porteurs de charge générés de manière parasitaire, quantifiés en tant que taux de comptage dans l’obscurité (DCR), ce qui peut compromettre la précision de la distance mesurée. Pour résoudre ce problème, une méthodologie de simulation a été mise en place pour évaluer le DCR. Cela est réalisé en simulant la probabilité de claquage d'avalanche, intégrée avec le taux de génération de porteurs de charge à partir de défauts. Cette méthodologie permet d'identifier les sources potentielles de DCR avant stress. Pour garantir l'intégrité des mesures de distance sur une longue période, il est nécessaire de prédire le niveau de DCR dans diverses conditions d'exploitation. La méthodologie de simulation susmentionnée est utilisée pour identifier les sources potentielles de DCR après stress. Pour un modèle cinétique précis de dégradation de type porteurs chauds (HCD), il est essentiel de considérer non seulement la distribution d'énergie des porteurs, mais également la distribution de l'énergie de dissociation de la liaison Si-H à l'interface Si/SiO2. La probabilité de dissociation d'ionisation d'impact est utilisée pour modéliser le processus de création de défauts, qui présente une dépendance temporelle sous-linéaire en raison de l'épuisement progressif des précurseurs de défauts. Une mesure précise de la distance nécessite de distinguer le signal du bruit ambiant et du plancher de DCR. L'impact de DCR peut être estimé en considérant la réflectance de la cible et les conditions d'éclairage ambiant. En résumé, ce travail utilise une méthodologie de caractérisation et de simulation approfondie pour prédire le DCR dans les dispositifs de type SPAD le long de sa durée de vie, permettant ainsi d'évaluer son impact sur les mesures de distance.

Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) are used for Time-of-Flight (ToF) sensors to determine distance from a target by measuring the travel time of an emitted pulsed signal. These photodetectors work by triggering an avalanche of charge carriers upon photon absorption, resulting in a substantial amplification which can be detected. However, they are subject to spurious triggering by parasitic generated charge carriers, quantified as Dark Count Rate (DCR), which can compromise the accuracy of the measured distance. Therefore, it is crucial to identify and eliminate the potential source of DCR. To tackle this issue, a simulation methodology has been implemented to assess the DCR. This is achieved by simulating the avalanche breakdown probability, integrated with the carrier generation rate from defects. The breakdown probability can be simulated either in a deterministically, based on electric-field streamlines, or stochastically, by means of drift-diffusion simulation of the random carrier path. This methodology allows for the identification of the potential sources of pre-stress DCR by comparing simulation results to experimental data over a wide range of voltage and temperature. To ensure the accuracy of distance range measurements over time, it is necessary to predict the DCR level under various operating conditions. The aforementioned simulation methodology is used to identify the potential sources of post-stress DCR by comparing simulation results to stress experiments that evaluate the principal stress factors, namely temperature, voltage and irradiance. Furthermore, a Monte-Carlo study has been conducted to examine the device-to-device variation along stress duration. For an accurate Hot-Carrier Degradation (HCD) kinetics model, it is essential to consider not only the carrier energy distribution function but also the distribution of Si−H bond dissociation energy distribution at the Si/SiO2 interface. The number of available hot carriers is estimated from the carrier current density according to the carrier energy distribution simulated by means of a full-band Monte-Carlo method. The impact-ionization dissociation probability is employed to model the defect creation process, which exhibits sub-linear time dependence due to the gradual exhaustion of defect precursors. Accurate distance ranging requires distinguishing the signal from ambient noise and the DCR floor, and ensuring the target’s accumulated photon signal dominates over other random noise sources. An analytical formula allows to estimate the maximum distance ranging using the maximum signal strength, ambient noise level, and confidence levels. The impact of DCR can be estimated by considering the target’s reflectance and the ambient light conditions. In a nutshell, this work makes use of a in-depth characterization and simulation methodology to predict DCR in SPAD devices along stress duration, thereby allowing the assessment of its impact on distance range measurements.