Conception de photodiodes à avalanche monophotonique sensibles aux photons ultraviolets pour les détecteurs de la physique des particules dans les gaz nobles liquéfiés

Abstract

Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont des détecteurs de lumière capables de compter individuellement les photons. Elles sont généralement utilisées pour l'analyse du spectre visible dans des conditions de faibles intensités pour lesquelles une précision temporelle est critique. Leur petite taille et leur faible coût incitent la communauté scientifique à les rendre sensibles également au rayonnement ultraviolet, notamment pour les grands détecteurs de la physique des particules et les télescopes spatiaux.

À ces énergies, les photons sont absorbés dans les premiers nanomètres sous la surface du photodétecteur où la quantité de pièges électroniques est élevée. Les chances qu'un porteur de charge photogénéré atteigne la zone de déclenchement et contribue à la génération d'un signal électrique mesurable sont peu probables. De plus, le changement rapide de l'indice de réfraction du silicium fait du SPAD un dispositif intrinsèquement moins sensible à ces longueurs d'onde.

Le groupe de recherche en appareillage médical de Sherbrooke (GRAMS) déploie présentement des efforts dans la réalisation d'une structure de SPAD numériques intégrés en trois dimensions pour la future expérience nEXO. Cette dernière est dédiée à l'étude fondamentale des neutrinos à travers l'observation de la double désintégration bêta dans le xénon liquide. Le nouveau détecteur du GRAMS devrait atteindre des performances supérieures en offrant une dissipation de puissance minimale ainsi qu'un prétraitement de l'information très rapide. Cependant, sans une sensibilité maximale à la longueur d'onde de scintillation du xénon liquide (175 nm), l'observation des évènements de désintégration ne peut pas être réalisée.

Dans ce contexte, le projet de maîtrise présenté dans ce mémoire vise à augmenter l'efficacité de photodétection des SPAD aux longueurs d'onde de l'ultraviolet lointain (100 nm - 300 nm) lorsqu'ils sont plongés dans un gaz noble liquéfié comme le xénon.

Dans un premier temps, l'objectif est d'aborder la conception théorique de couches minces pour réduire les réflexions à la surface du détecteur. Le deuxième objectif est d'étudier le comportement d'un dopage très abrupt cru à la surface du SPAD pour améliorer l'efficacité de collection interne. De plus, des modifications aux procédés de fabrication des SPAD sont apportées afin de permettre la croissance du dopage très abrupt en surface par épitaxie par jets moléculaires. Finalement, une caractérisation approfondie des SPAD VUV est réalisée, et comprend notamment, la mesure de la tension de claquage, du bruit d'obscurité et de l'efficacité de photodétection.

Abstract: Single-photon avalanche diodes (SPAD) are light detectors capable of individually counting photons. They are generally used for the analysis of the visible spectrum under conditions of low intensities for which temporal precision is critical. Their small size and low cost encourage the scientific community to make them also sensitive to ultraviolet radiation, in particular for large particle physics detectors and space telescopes. At these energies, photons are absorbed in the first nanometers below the surface of the photodetector where the amount of traps is high. The chances of a photogenerated charge carrier reaching the avalanche region and contributing to the generation of a measurable electrical signal are unlikely. In addition, the rapid change in the refractive index of silicon makes the SPAD an inherently less sensitive device at these wavelengths. The Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) is currently working on a 3D-integrated digital SPAD structure for the future nEXO experiment. nEXO is dedicated to the fondamental study of neutrinos through the observation of double beta decays in liquid xenon. The GRAMS' photodetector is expected to achieve superior performance by offering minimal power dissipation as well as very fast pre-processing times. However, without maximum sensitivity to the liquid xenon scintillation wavelength (175 nm), observation of decay events cannot be performed. In this context, this master thesis aims to increase the photon detection efficiency of SPADs at vacuum ultraviolet wavelengths (100 nm - 300 nm) when immersed in a liquefied noble gas such as xenon. First, the objective is to approach the theoretical design of thin films to reduce reflections on the detector surface. The second objective is to study the behavior of a highly doped and very thin layer grown on the surface of the SPAD to improve the internal collection efficiency. In addition, modifications to the SPAD fabrication process are made in order to allow the growth of the doped layer by molecular beam epitaxy. Finally, an in-depth characterization of the VUV SPADs is carried out, and notably includes the measurement of the breakdown voltage, the dark noise and the photon detection efficiency.