Intégration de SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) dans une technologie FDSOI (Fully Depleted Silicon-on-Insulator Technology)

Ce travail a pour objectif la conception, la simulation, la modélisation et la caractérisation électrique de diodes à avalanche à photon unique (Single Photon Avalanche Diodes - SPAD) intégrées dans une technologie CMOS Fully Depleted Silicon on Insulator - FDSOI. Les SPAD sont des diodes (jonctions PN) polarisées en inverse au-delà de la tension de claquage, fonctionnant dans le mode Geiger. Grace à leur haute sensibilité et rapidité, les SPAD sont utiles pour plusieurs applications, telles que les mesures de temps de vol (Time of Flight - ToF), l’imagerie médicale (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy - FLIM), ainsi que la détection de particules chargées, dans le domaine de la physique de haute énergie. L’intégration de SPAD dans une technologie CMOS FDSOI permet d’obtenir une intégration 3D monolithique intrinsèque avec la diode sous l’oxyde enterré, et l’électronique associée dans le film silicium, en optimisant ainsi le facteur de remplissage. Afin d’analyser le comportement des SPAD FDSOI, plusieurs cellules ont été conçues, respectant les principales règles de dessin imposées par la fonderie, mais présentant des variantes structurelles telles que la zone d'intégration, la géométrie, la distance de garde et le circuit d’étouffement. Des simulations TCAD et des calculs analytiques ont été effectués afin d'estimer les principales figures du mérite de SPAD. Plusieurs modèles d'avalanche et de génération de porteurs ont été étudiés pour une meilleure adaptation du modèle simulé aux dispositifs fabriqués. Des caractérisations électriques ont été réalisées pour estimer des paramètres importants tels que la tension de claquage, le taux de comptage dans l'obscurité (DCR) et la réponse en l'électroluminescence. Bien que les résultats obtenus restent inférieurs par rapport à l'état de l’art, la faisabilité d’intégration de SPAD dans une technologie FDSOI a été démontrée comme preuve de concept, mais des améliorations sont nécessaires et certaines pistes sont proposées.This work aims at the design, simulation, modelling and electrical characterization of Single Photon Avalanche Diodes (SPAD) in an advanced Fully Depleted Silicon on Insulator (FDSOI) technology. SPADs are PN junctions reversed bias above breakdown voltage, operating in the so-called Geiger mode. Such an implementation should provide an intrinsic monolithic integration of those devices, along with their mandatory associated electronics, thanks to the buried oxide layer present in that technology, optimizing fill factor. Due to its high sensitivity, SPAD are useful for several applications, such as Time of Flight (ToF) and Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM) measurements, as well as the detection of charged particles, in high-energy physics domain. The designed cells follow the main design rules imposed by the foundry and present variations in aspect as integration zone, geometry, guard distance and quenching circuit. TCAD simulations were performed in order to estimate some of the SPAD main Figures of Merit. Several avalanche and carrier generation models were studied for better adapting the simulated model to the actual fabricated devices. Electrical characterizations were realized for estimating important parameters such as breakdown voltage, Dark Count Rate (DCR) and electroluminescence response. Although the obtained results are still poor when compared to State-of-the-Art, its feasibility was demonstrated and can be used as a proof of concept, at the same time that improvements are proposed