Silisyum tek foton çığ fotodedektör (SPAD) tasarım ve benzetimi
Design and simulation of a silicon single photon avalanche photodiode (SPAD)
Yazar: EMRE SARI
Danışman: PROF. DR. ALİ TANGEL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Fotodedektörler = Photodetectors ; Karanlık akım = Dark current ; Optik dedektör = Optical dedector ; Tepkisellik = Reactiveness

Özet:
Bu tez çalışmasında yakın ultraviyole (NUV) ve görünür bölgede algılama yapan 1,5mm yarıçapa sahip silindirik silisyum tek foton çığ fotodiyotu (SPAD) tasarımı ve benzetimi yapılmıştır. Tasarım aşamasında reach-through yapısı kullanılmıştır. Epitaksiyel büyütme, iyon implantasyonu, fotolitografi, fiziksel buhar biriktirme, kimyasal buhar biriktirme teknikleri kullanılarak hazırlanan tam özel (full custom) fabrikasyon akışı sayesinde yüksek tepkisellik ve düşük karanlık akım hedeflenmiştir. Bu parametreleri optimize etmek adına çığ fotodiyot için en önemli bölge olan çığ jonksiyonu üzerine odaklanılmıştır. 35µm epitaksiyel katman büyütülerek oluşturulan n+ - p - π(p-) - p+ yapısının, iyon implantasyonu tekniği kullanılarak konsantrasyonları düzenlenmiştir. İç kazanç sayesinde oluşan tepkiselliği yüksek tutmak amacıyla kuantum verimliliği üzerinde durulmuştur. Yüksek kuantum verimliliği elde etmek için oluşturulan epitaksiyel yapı SiO2 ve Si3N4 ışığa duyarlı ince filmlerle kaplanmıştır. Optik bant geçirgen filtre görevi gören ince filmler sayesinde foton absorbsiyonu geliştirilmiştir. Ayrıca karanlık akımı düşük tutmak adına koruma halkaları optimize edilerek çığ bölgesi, yüzey kaçaklarından izole edilmiştir. TCAD SENTAURUS SPROCESS kullanılarak benzetimi yapılan SPAD, SDEVICE kullanılarak elektro-optik testleri gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması, tasarlanan SPAD'nin fabrikasyon süreçleri ve optik analiz sonuçları hakkında bilgileri içermektedir. Hazırlanan komut dosyaları ve fabrikasyon değişkenleri sayesinde özgün ve yerli üretim açısından zemin hazırlanmıştır.

Abstract:
In this thesis, a 1,5mm radius cylindrical silicon single photon avalanche photodiode (SPAD) was designed and simulated for near ultraviolet (NUV) and visible region sensing. A reach-through structure was used in the design phase. High responsivity and low dark current were targeted with full custom fabrication flow using epitaxial growth, ion implantation, photolithography, physical vapor deposition, chemical vapor deposition techniques. To optimize these parameters, the avalanche junction was focused on, which is the most important region for the avalanche photodiode. The n+ - p - π(p-) – p+ structure formed by growing a 35µm epitaxial layer, and the critical concentration levels were arranged using ion implantation technique. In order to keep the responsivity high due to the internal gain, quantum efficiency was emphasized. To achieve high quantum efficiency, the epitaxial structure was coated with SiO2 and Si3N4 photosensitive thin films. Photon absorption is improved by the thin films, which are acting as optical bandpass filters. In addition, the avalanche region was isolated from surface leakage by optimizing the guard rings to obtain the low level dark current values. The SPAD was simulated using TCAD SENTAURUS SPROCESS and electro-optical tests were performed using SDEVICE. The thesis includes information about the fabrication processes and optical analysis results of the designed SPAD. Thanks to the prepared scripts and fabrication variables, the groundwork has been prepared for full custom and domestic production.