Les SPAD planaires

Grâce à sa large région de déplétion, cette structure montre une efficacité quantique de 30% à 500 nm et de 70% à 700 nm. Cette région de déplétion épaisse induit un Jitter su-périeur à 300 ps ce qui est inacceptable pour plusieurs applications. En plus, ce dispositif exige une tension de polarisation entre 300 à 400 V ce qui nécessite des circuits spécialisés pour dissiper l’excès de puissance ce qui fait que la technologie dédiée à la fabrication de ce dispositif est coûteuse [Finkelstein_14].

Ensuite, plusieurs structures de SPAD Reachthrough ont été développées, mais la barrière de la forte tension de polarisation, le coût et la complexité des technologies dé-diées ont incité les scientifiques à développer des nouvelles structures pour surmonter les limites des SPAD Reachthrough.

2.4.2 Les SPAD planaires

La principale différence entre la structure planaire et la structure Reachthrough est la réduction de la surface de la zone absorbante donc la zone de multiplication (diamètre et largeur). Les SPADs planaires ont été fabriqués depuis 1960 par Haitz [Haitz_63]. Ils utili-sent des étapes de traitement qui sont semblables à celles utilisées pour la fabrication des structures à semi-conducteurs classiques, tel que le transistor métal-oxyde-semiconducteur (MOS). De part de leur topologie, les SPADs planaires permettent d’obtenir des caractéris-tiques différentes :

• Réduction du Jitter (la gigue temporelle) due aux diamètres réduits de la jonction.

• Réduction du temps mort due aux petites capacités de la jonction.

• Réduction de la consommation d'énergie due à des tensions de polarisation plus faibles.

• Réduction de la probabilité de détection due aux régions d'absorption étroites.

• Possibilité d'intégration à grande échelle avec des circuits de traitement sur la même puce.

La mise en œuvre de la première photodiode à avalanche proposée par Haitz utilise un anneau de garde comme le montre la Figure 2.3.

Figure 2.3 : SPAD planaire de Haitz [Goetzberger_63]

La structure est basée sur une jonction n+/p_substrat. Pour éviter le claquage préma-turé lié aux effets de bord, une diffusion n- est réalisée sur la périphérie de la jonction. Étant donné que la zone de déplétion résultante est plus étroite que celle des structures Reachthrough (épaisses), la tension de polarisation nécessaire est beaucoup plus basse (environ 32 V).

En 1989, Cova a introduit une nouvelle structure du SPAD planaire basée sur une couche p-épitaxiale avec un Jitter réduit comme le montre la Figure 2.4. Les photons inci-dents qui touchent la surface supérieure sont absorbés dans la couche épitaxiale de type p, Ils sont attirés par un faible champ électrique venant de la jonction n+/p, où ils seront mul-tipliés. Ce qui différencie la structure de Cova par rapport à celle de Haitz est l’utilisation d'une structure à double couches épitaxiales, formant ainsi deux diodes. La diode infé-rieure a pour rôle d’empêcher les électrons photogénérés à partir du substrat de diffuser dans la jonction formant le SPAD provoquant une augmentation de l'incertitude de syn-chronisation. La structure épitaxiale supérieure a été utilisée pour former une jonction ul-tra propre pour le SPAD. Afin de surmonter la résistivité de cette couche, une couche p+ a été implantée en dessous de la couche épitaxiale supérieure. Enfin, une implantation d’une couche p+ au centre de cette structure a pour rôle d’éviter le claquage prématuré de la structure [Cova_04].

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Figure 2.4 : Cova SPAD basé sur une double couche épitaxiales [Cova_04]

Cette structure présente une tension de claquage de 50 V, un Jitter de 55 ps et un taux de comptage meilleur que celui de la structure de Haitz.

La structure la plus utilisée jusqu’à nos jours est celle implémentée par Rochas en 1992. Cette structure a été implémentée en utilisant une technologie CMOS High Voltage. La Figure 2.5 montre une telle structure.

Figure 2.5 : CMOS SPAD HV de Rochas

Cette structure consiste en :

• Un SPAD circulaire.

• Une structure fabriquée avec une technologie HV-0.8µ CMOS processus.

• Une double jonction p+/deep n-tube/p-substrat.

• L’utilisation d’un substrat p et une tension d’alimentation allant de 2,5 à 50 V.

• Le claquage prématuré aux bords (PEB) a été évité en utilisant un anneau de garde par diffusion de deux p-tube relativement faiblement dopées qui vont éliminer les effets des coins en réduisant le gradient du champ électrique à la périphérie de la diode pour qu’on obtienne un champ électrique plus intense au centre et non pas sur les bords de la jonction p+/deep n-tub.

• Il y a une région de déplétion deep n-tub/p-substrat mais, dans cette région, les porteurs entrants sont balayés vers le substrat et ne causeront pas une ioni-sation [Niclass_05].

Une caractéristique des générations CMOS au-dessous de 250 nm est l’existence d’une couche n-buried (n-enterré) formée par implantation d’ion à haute énergie. Cette couche a un profil de dopage rétrograde de telle sorte que la surface a un faible dopage et que ce dernier augmente avec la profondeur. La structure de la Figure 2.6 montre le SPAD dans une technologie LV-CMOS 130nm. Cette technique utilise, pour réduire le taux de comptage dans le noir (DCR), un anneau de garde formé par une couche (shallow trench isolation STI) et une couche de passivation p-type qui vont créer un efficace anneau de garde contre les (PEBs). La couche p-type a pour rôle de minimiser le champ électrique entre le (STI) et la couche (n-well) diminuant ainsi la probabilité des (PEBs) [Gersbach_ 08].

Figure 2.6 : STI-Bounded SPAD CMOS 130nm entouré par une couche de passivation (p-type) [Gersbach_ 08]

A cause des contraintes de design, seulement les SPADs octogonaux sont réalisables dans cette technologie. L’utilisation de cet anneau de garde réduit la probabilité pour les porteurs minoritaires d’entrer dans la région de multiplication ce qui réduit le taux de comptage dans le noir (DCR).

Le tableau (1.1) résume les principales différences entre la structure Reachthrough et la structure planaire

Table 1.1 : comparaison entre la structure épaisse et planaire [Finkelstein_14]

Structure Reachthrough Structure planaire

Taux de comptage dans le noir >1000 / sec ~1000 / sec Efficacité quantique 70% 40% Tension de fonctionnement (250-400) V (10-40) V