Diode à avalanche à photon unique en Germanium : de la caractérisation à la simulation avancée – GeSPAD

Le projet GeSPAD vise à réaliser une avancée majeure dans le développement de la prochaine génération de diodes à avalanche à photon unique (SPAD), un détecteur optoélectronique à haute sensibilité ayant de nombreuses applications en tomographie à rayons X, capteurs biochimiques, balayage de micro-réseaux d'ADN/protéines, conception de moteurs et de turbines, aides aux personnes handicapées, caméras à haute sensibilité et à faible luminosité. Dans un avenir proche, des réseaux de SPADs à faible surface seront utilisés pour de nouvelles applications dans l'Internet des objets, comme la détection des utilisateurs dans les dispositifs intelligents portables ou l'optimisation des distances de déplacement pour les applications de voitures autonomes. Le marché actuel est dominé par les SPADs à base de silicium, dont la sensibilité est limitée aux longueurs d'onde des photons inférieures à 1100 nm. Toutefois, afin d'améliorer la précision de la profondeur dans les systèmes LiDAR, il est hautement souhaitable de faire évoluer la longueur d'onde de fonctionnement de 900 nm à 1500 nm, ce qui permettrait d'utiliser des puissances laser plus élevées conformément aux spécifications de sécurité oculaire.
D'un point de vue industriel, l'option du germanium est très prometteuse pour l'intégration dans les procédés CMOS conventionnels, mais des efforts importants en termes de développement technologique sont nécessaires. De plus, il manque une comparaison fiable des performances du-SPAD en Ge par rapport aux dispositifs à base de III-V et de Si.
L'objectif principal de GeSPAD est d'évaluer les nouvelles conceptions de dispositifs, matrices et circuits de SPADs à base de germanium et de les comparer avec leurs homologues à base de III-V et silicium. Les dispositifs conçus dans le cadre de ce projet se caractériseront par une probabilité accrue de détection des photons infrarouges (efficacité quantique élevée pour les longueurs d'onde autour de 1310-1500 nm) ainsi que par de faibles taux de comptage dans l'obscurité, de bruit et de jitter.
Pour atteindre cet objectif, les SPADs à base de germanium seront inspectés à tous les niveaux possibles, allant des propriétés du matériau à l'optimisation des circuits, en passant par la physique des dispositifs. Ce projet combinera des techniques de caractérisation avancées sur des prototypes industriels à base de Ge avec des outils de simulation prédictive multi-échelle, et une conception efficace des circuits de réinitialisation. Le consortium sera composé de trois laboratoires universitaires et d'un partenaire industriel, STMicroelectronics, qui est l'un des principaux producteurs mondiaux de CMOS-SPAD et qui entend maintenir son leadership en investissant dans des technologies de rupture. Les partenaires sont experts dans différents domaines pertinents pour le projet et adopteront des méthodologies complémentaires : le C2N (coordinateur) étudiera la physique des dispositifs des SPAD en mettant en œuvre des simulations de transport quantique à bande complète et des simulations temporelles par la méthode de Monte-Carlo ; le LAAS effectuera des calculs ab-initio sur les propriétés des défauts dans les hétérostructures Ge et Si/Ge ainsi que leur spectroscopie de photoluminescence ; le Lab. Hubert Curien développera des modèles Spice pour les dispositifs et les circuits ; STMicroelectronics fournira la caractérisation électrique des dispositifs développés en interne ainsi que des simulations TCAD pour optimiser l'architecture SPAD.
GeSPAD aura de multiples répercussions sur la communauté. D'un point de vue industriel, il contribuera à la conception de la prochaine génération du SPAD et donnera lieu à plusieurs brevets. D'un point de vue universitaire, la clarification des problèmes scientifiques abordés permettra la publication des plusieurs travaux dans des revues et conférences internationales. Enfin, elle facilitera la création d'une communauté française travaillant autour des SPADs.