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Thesis (M.Sc.(HONS))--University of Wollongong, 2003. / Typescript. Bibliographical references: leaf 83-89.

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2004. / Supervisor: Joe C. Campbell. Vita. Includes bibliographical references.

La photodétection est un sujet de recherche très actif encore de nos jours et l’industrie, particulièrement de la physique des hautes énergies et de l’imagerie médicale, est en quête de détecteurs avec une plus grande sensibilité, de meilleures résolutions temporelles et une plus grande densité d’intégration. Pour ces raisons, les photodiodes avalanche à photon unique (Single photon avalanche diode, ou SPAD) suscitent beaucoup d’intérêt depuis quelques années pour ses performances en temps et sa grande photosensibilité. Les SPAD sont des photodiodes avalanche opérées au-dessus de la tension de claquage et un photoporteur atteignant la région de multiplication peut à lui seul déclencher une avalanche soutenue de porteurs et entraîner le claquage de la jonction. Un circuit détecte le courant divergent et l’étouffe en abaissant la polarisation de la jonction sous la tension de claquage. Le circuit recharge ensuite la jonction en réappliquant la tension initiale permettant la détection d’un nouveau photon. Dans le but d’augmenter le nombre de photons simultanés détectables, les SPAD s’intègrent en matrice. Cependant, dans le cas où une matrice de SPAD et leurs circuits d’étouffement s’intègrent sur le même substrat, la surface photosensible devient limitée par l’espace qu’occupent les circuits d’étouffement. Dans le but d’augmenter leur région photosensible, les matrices de SPAD peuvent s’intégrer en trois dimensions (3D) avec leurs circuits d’étouffement. Ce projet porte sur le développement de matrices de SPAD en technologie CMOS HV 0,8 µm de Teledyne DALSA dédiées à une intégration 3D avec leurs circuits d’étouffement actifs. Les résultats de caractérisation montrent que les SPAD atteignent une résolution temporelle de 27 ps largeur à mi hauteur (LMH), possèdent un taux de comptage en obscurité (DCR, ou Dark Count Rate) de 3 s[indice supérieur -1]µm[indice supérieur -2] et ont une probabilité de photodétection (PDP) de 49 %. De plus, une méthode d’isolation utilisant un puits p a été développée. Les SPAD conçus avec cette méthode ont un facteur de remplissage pouvant atteindre 54 % et une probabilité de diaphonie de 6,6 % à une tension excédentaire à la tension de claquage (V[indice inférieur E]) de 4 V.

Les récents travaux sur l’intégration de polymères organiques dans des composants électroniques ont permis de développer des photodiodes rapides et sensibles, fabriquées sur des substrats souples et de grande surface. Cependant, la stabilité pose un problème majeur pour l’industrialisation de ces composants et contraint à l’utilisation d’une encapsulation coûteuse. Au cours de leur utilisation, les photodiodes sont soumises à de nombreux stress pouvant réduire leur durée de vie: la lumière (UV-visible), l’oxygène, la vapeur d’eau, la température, ou des stress électriques et mécaniques liés à leur utilisation. Ces différents facteurs tendent notamment à détériorer les matériaux qui composent l’empilement des photodiodes, induisant des dégradations de leurs performances électriques. Une compréhension précise des mécanismes physiques et chimiques mis en jeu pour chaque facteur est alors nécessaire pour pouvoir, in fine, améliorer leur stabilité. Cette thèse a pour but de mettre en évidence les mécanismes de dégradations des photodiodes en fonctionnement et s’attache à décorréler les différents facteurs de dégradation. Pour ce faire, différents vieillissements de photodiodes ont été effectués dans le noir et sous illumination dans différentes atmosphères : inerte, air sec et air ambiant. Une analyse des dégradations des figures de mérite, à l’aide notamment de simulations numériques, a permis de formuler des hypothèses permettant d’expliquer les dégradations observées. Enfin, des caractérisations électriques, matériaux et électroniques complémentaires ont pu être effectuées afin de mettre en évidence les mécanismes de dégradation suggérés par la simulation. Une augmentation de la densité de pièges dans la structure, placés à différentes profondeurs selon les vieillissements, a notamment pu être proposée. Ces pièges, induits principalement par l’oxygène, provoquent une diminution du photo-courant ainsi qu’une augmentation de l’injection et de la capacité. / Over the past few years, great improvement has been made in organic, polymer-based devices performances. Unfortunately, problems with their stabilities still persist, constraining the use of costly encapsulations. In operating conditions, photodiodes are exposed to many stresses, reducing their lifetime: light (UV-visible), water, oxygen, temperature, electrical bias or even mechanical stress. These various factors lead to the progressive deterioration of polymers used in devices that induce degradations and performances losses. Hence, unravelling the physics behind the degradation mechanisms is needed in order to improve their stability. Most importantly, it is crucial to understand the role of each factor (such as oxygen, light, water) in degrading the performances of the devices. In this work we aim to decorrelate the influence of the different ageing effects by investigating the impact of environment and light on electrical characteristics of operating photodiodes. For this purpose, different photodiodes ageing have been performed in dark, under light and in different atmospheres such as inert gas, dry air, and ambient air. Scenario could be proposed to explain the degradation based on the analysis of the device figures of merit of the device and numerical simulations. Finally, complementary electrical and chemical characterizations have been performed in order to highlight the degradation mechanisms. We show that oxygen induces traps in the bandgap of the active layer that reduces photocurrent and increases charges injection and capacitance.

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Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Metall-Halbleiter-Metall ultravioletten Photodioden basierend auf Dünnschichten der weitbandlückigen Halbleitern Magnesiumzinkoxid (Mg,Zn)O und Galliumindiumoxid (In,Ga)2O3. Die Arbeit behandelt zwei inhaltliche Schwerpunkte. Der erste Schwerpunkt liegt auf Herstellung, Entwicklung und Charakterisierung der wellenlängenselektiven (Mg,Zn)O-Photodioden bei Erhaltung der Wurtzitstruktur in UVA und UVB Spektralbereichen. Dabei wurde eine integrierte optische Filterschicht mit einem höheren Mg-Gehalt verwendet, die einen Teil der von der Rückseite einfallende Strahlung absorbieren kann. Um die Selektivität der Absorptionskante und die Bandbreite des Detektoren abzustimmen, wurden unterschiedliche Kombinationen der Mg-Gehalte in den Schichten untersucht. Weiterhin wurde der Ansatz eines kontinuierlichen Kompositionsgradienten mittels großflächig gepulster Laserabscheidung genutzt, um monolithisch mehrkanalig schmalbandige Photodioden zu realisieren. Dadurch konnten die kontinuierliche Verschiebung der Absorptionskante von beiden Activ- und Filterschichten sowie die Photodetektion mit minimierter und einheitlicher spektraler Auflösung innerhalb von einem 2 inch im Durchmesser Wafer ermöglicht werden. Der zweite Schwerpunkt konzentriert sich auf die Untersuchung der wellenlängenselektiven Photodioden basierend auf Si-dotierten (In,Ga)2O3 Dünnschichten mittels der kontinuierlichen Kompositionsgradienten durch unterschiedliche Variation des Indium-Gehaltes. Die Absorptionskante der (In,Ga)2O3 Dünnschichten konnte von UVA bis zum UVC Spektralbereich abgestimmt werden. Die chemische und strukturelle Eigenschaften der Dünnschichten wurden mittels Kathodolumineszenzmikroskop, energiedispersive Röntgenspektroskopie and Röntgenbeugung studiert. Die elektrischen Eigenschaften der Schottky-Kontakte wurden mit hochpräzisen Strom-Spannungs-Messung bestimmt. Die Untersuchung der Absorptionskante sowie der Effzienz der Photodioden geschieht mittels spektralaufgelöster Photostrommessungen.

Since the late 1990s our group has been working with groups in chemistry department at the University of Texas at Austin on a project referred as "Electronic Taste Chip," a MicroElectroMechanical System (MEMS) based miniaturized microfluidic chemical sensor with multianalyte detection capabilities. By integrating optical detection mechanism directly onto the silicon chip a cost effective, compact, and portable sensor can be realized enabling use of these chips out of conventional laboratory environment. Addition to the integration a noble approach of accessing a photodiode with non-contact powerless RFID type readout is presented. By doing so a packaged photodiode can be interrogated without direct electrical contact, enhancing the portability even further for a sensor operated in aqueous medium. First background information regarding the project as well as design and integration criteria is presented followed by demonstration of non-contact RFID-type readout of a photodiode. Detailed discussion on the development of process integration scheme is discussed along with the measurements verifying the performance of the fabricated photodiode. During this investigation normally overlooked design criteria of collection efficiency, the effect of how a target element is to be delivered to a detection mechanism on the overall performance of the sensor, is addressed and discussed.

The quaternary material system In[subscript x]Ga[subscript 1-x]As[subscript y]P[subscript 1-y] is an important material system for optoelectronic devices, specifically covering optimum fiber optic wavelengths. Among the limitations of using this material system concerning photodetector performance is generation of carriers due to material defects and impurities. This dissertation reports on the growth optimization of InGaAs using molecular-beam epitaxy for low-dark-current avalanche photodiodes through the study of the effects of the growth conditions on dark current. An optimum growth temperature of 545°C and arsenic beam equivalent pressure of 2x10⁻⁵ Torr was found for producing the lowest dark current density. Avalanche photodiodes were implemented with a dark current density 80 mA/cm² at 90% of the breakdown voltage.