| Popis: |
Questa tesi è dedicata allo sviluppo e alla valutazione delle prestazioni di fotodiodi a valanga con regione di assorbimento e moltiplicazione separata (SAM-APD) basati su semiconduttori GaAs / AlGaAs. Questi dispositivi sono concepiti come la base per futuri rilevatori sensibili e veloci per sorgenti luminose di nuova generazione, soprattutto per energie in cui il silicio non è più adeguato. La parte teorica (capitolo 1) spiega a fondo i principi dei fotodiodi a valanga, giustifica l'uso dei materiali selezionati e spiega i principi e i vantaggi del concetto di separazione delle regioni di assorbimento e moltiplicazione nei dispositivi. Inoltre, introduce la struttura a scala nella regione di moltiplicazione, progettata per migliorare la moltiplicazione degli elettroni e sopprimere la moltiplicazione delle buche. La parte strumentale (capitolo 2) descrive in dettaglio i metodi di fabbricazione e le tecniche di test utilizzate in questo progetto, dall'epitassia a fasci molecolari (MBE) utilizzata per la sintesi dei multistrati GaAs/AlGaAs, alle tecniche di fabbricazione litografiche, fino alle sorgenti di luce usate per la caratterizzazione dei dispositivi. Net terzo capitolo è descritto il processo di fabbricazione che è stato sviluppato per produrre i SAM-APD. Sono descritte anche le configurazioni sperimentali che sono state messe a punto e utilizzate per i test. Nel quarto capitolo vengono presentati e discussi i risultati dei test dei rivelatori. In particolare, abbiamo ottimizzato il doping nello strato di separazione drogato p tra le regioni di assorbimento e moltiplicazione. Abbiamo stabilito che un drogaggio di \SI{2,5e12}{cm^{-2}} sotto forma di delta doping è quello che fornisce le prestazioni ottimali del dispositivo in termini di raccolta della carica e guadagno di moltiplicazione. In secondo luogo, abbiamo studiato l'influenza del numero di step nella struttura a scala della regione di moltiplicazione. Sono stati preparati e testati campioni con 6, 12 e 24 step. Un confronto delle caratteristiche di rumore mostra che il rumore associato al processo di moltiplicazione diminuisce all'aumentare del numero di step. Inoltre, abbiamo osservato che il guadagno della moltiplicazione aumenta con il numero di step. Sono state effettuate misure di risposta temporale utilizzando un laser verde con una larghezza di impulso di 10~ps; per dispositivi con 12 e 24 step nella regione di moltiplicazione è stato misurato un tempo di salita inferiore a 100 e 80~ps, rispettivamente. Questi esperimenti, insieme a misurazioni spettroscopiche eseguite sotto illuminazione laser pulsata, forniscono un metodo alternativo per valutare il guadagno. I risultati ottenuti con questi due metodi seguono la tendenza con il numero di step ottenuta con le misure di rumore, tuttavia sono sistematicamente più bassi in valore assoluto. Infine, abbiamo testato il dispositivo a 12 step sotto illuminazione di raggi X con energia del fotone di 12.5~keV. A questa energia la trasmissione dello strato di assorbimento è molto più elevata rispetto al visibile, quindi i fotoni vengono in buona parte assorbiti anche all'interno della regione di moltiplicazione. Di conseguenza, il guadagno ottenuto in questo range di energia è inferiore ai guadagni misurati con l'illuminazione laser. This thesis work is devoted to the development and performance assessment of avalanche photodiodes with separated absorption and multiplication region (SAM-APDs) based on GaAs/AlGaAs. These devices should form the basis of future fast and sensitive detectors for new generation light sources, especially then for energies at which silicon is not adequate anymore. The theoretical part (chapter 1) thoroughly explains principles of avalanche photodiodes, justifies the use of the selected materials and explains the principles and advantages of device concept based on the separation of absorption and multiplication regions. Further, it introduces the staircase structure located in the multiplication region which is designed to enhance multiplication of electrons and suppress multiplication of holes. The instrumental part (chapter 2) describes in detail methods of fabrication and testing techniques used in this project, from molecular beam epitaxy (MBE) which is used for the synthesis of the GaAs/AlGaAs multilayers, through lithographic fabrication techniques, upto the light sources used for characterization of the devices. In the third chapter the fabrication procedure which was developed to produce the SAM-APDs is described. The experimental setups which were prepared and used for testing are described too. In the fourth chapter the results of detector test are presented and discussed. In particular, we optimized the doping concentration in the p-doped separation layer between the absorption and multiplication regions. We found that a concentration of \SI{2,5e12}{cm^{-2}} under a form of a delta-doped layer provide optimal device performance in terms of the charge collection and the multiplication gain. Second, we studied the influence of the number of steps in the staircase structure of the multiplication region. Samples with 6, 12 and 24 steps were prepared and tested. Comparison of the noise characteristics shows a decrease in the noise associated with the multiplication process as the number of steps increase. An increase of the multiplication gain with the number of steps was observed as well. Time response measurement were performed using a green laser with a 10~ps-pulse-width and for the devices with 12 and 24 steps located in the multiplication region a rise time less than 100 and 80~ps was measured, respectively. Furthermore these experiments, together with spectroscopic measurements performed under pulsed laser illumination, provided an alternative method to assess the gain. The gain obtained with these two methods follow the trend with the number of steps observed with the noise setups, however are systematically smaller in absolute value. Finally, we tested the 12 steps device under X-ray illumination of photon energy 12.5~keV. At this energy the transmission of the absorption layer is much higher than in the visible range, thus absorption takes place considerably within the multiplication region as well. As a consequence, the gain obtained from these measurements was smaller than the gains measured under laser illumination. |
