SAG-based InGaAs/InP SPADs for photon counting in SWIR wavelengths
The presentation will be in English / La présentation sera en anglais.
SAG-based InGaAs/InP SPADs for photon counting in SWIR wavelengths
Abstract:
Low-light detection with high spatial and temporal precision is increasingly critical for applications like LiDAR, biomedical imaging, free-space communication, and adaptive optics. Single-photon avalanche diodes (SPADs), capable of detecting picosecond-level transients at the single-photon level, are emerging as a key technology to meet these demands. While silicon-based SPADs perform well in the visible spectrum due to the maturity of CMOS technology, they suffer from efficiency drops in the near-infrared (NIR) and short-wave infrared (SWIR) regions, limited by silicon’s 1.1 eV indirect bandgap. Enhancing SPAD efficiency in the NIR/SWIR range is essential for eye-safe LiDAR, fiber optic communication, and free-space telecommunication applications.
This presentation delves into high-performance single-photon detectors using InGaAs/InP-based SPAD technologies, focusing on their use in quantum key distribution (QKD) and LiDAR. The research includes an extensive characterization of Selective Area Growth (SAG)-based and double-diffusion InGaAs/InP SPADs, examining dark count rate (DCR), photon detection probability (PDP), timing jitter, and uniformity. The novel SAG-based design reduces edge electric fields, enhancing DCR and uniformity.
Additionally, the talk will cover a unique SPAD simulation environment using TCAD tools and explore focal plane implementations of SPAD arrays for spatial resolution. Finally, it will address the design considerations and challenges of the read-out circuits for SPAD arrays.
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SPAD InGaAs/InP basés sur SAG pour le comptage de photons dans les longueurs d'onde SWIR.
Résumé :
La détection de faible luminosité avec une précision spatiale et temporelle élevée est de plus en plus essentielle pour des applications telles que le LiDAR, l'imagerie biomédicale, la communication en espace libre et l'optique adaptative. Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD), capables de détecter des transitoires de l'ordre de la picoseconde au niveau d'un photon unique, apparaissent comme une technologie clé pour répondre à ces demandes. Bien que les SPAD à base de silicium fonctionnent bien dans le spectre visible en raison de la maturité de la technologie CMOS, ils souffrent de baisses d'efficacité dans les régions du proche infrarouge (NIR) et de l'infrarouge à ondes courtes (SWIR), limitées par la bande interdite indirecte de 1,1 eV du silicium. L'amélioration de l'efficacité du SPAD dans la gamme NIR/SWIR est essentielle pour les applications LiDAR, de communication par fibre optique et de télécommunication en espace libre sans danger pour les yeux.
Cette présentation se penche sur les détecteurs monophotoniques hautes performances utilisant les technologies SPAD basées sur InGaAs/InP, en se concentrant sur leur utilisation dans la distribution de clés quantiques (QKD) et LiDAR. La recherche comprend une caractérisation approfondie des SPAD InGaAs/InP basés sur SAG et à double diffusion, en examinant le taux de comptage d'obscurité (DCR), la probabilité de détection de photons (PDP), la gigue temporelle et l'uniformité. La nouvelle conception basée sur le SAG réduit les champs électriques de bord, améliorant ainsi le DCR et l'uniformité.
De plus, l'exposé couvrira un environnement de simulation SPAD unique utilisant les outils TCAD et explorera les implémentations du plan focal des réseaux SPAD pour la résolution spatiale. Enfin, la présentation abordera les considérations de conception et les défis des circuits de lecture pour les réseaux SPAD.
Ekin Kizilkan Halil Kerim Yildirim
About / A propos
The High Throughput and Secure Networks (HTSN) Challenge program is hosting regular virtual seminar series to promote scientific information sharing, discussions, and interactions between researchers.
Le programme Réseaux Sécurisés à Haut Débit (RSHD) organise régulièrement des séries de séminaires virtuels pour promouvoir le partage d’informations scientifiques, les discussions et les interactions entre chercheurs.
Date and Time
Location
Hosts
Registration
- Date: 30 Oct 2024
- Time: 01:00 PM to 02:00 PM
- All times are (UTC-04:00) Eastern Time (US & Canada)
-
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- Contact Event Hosts
- Co-sponsored by National Research Council, Canada. Optonique.
- Starts 22 October 2024 02:30 PM
- Ends 30 October 2024 11:00 AM
- All times are (UTC-04:00) Eastern Time (US & Canada)
- No Admission Charge
Speakers
Ekin Kizilkan of École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
SAG-based InGaAs/InP SPADs for photon counting in SWIR wavelengths
Abstract:
Low-light detection with high spatial and temporal precision is increasingly critical for applications like LiDAR, biomedical imaging, free-space communication, and adaptive optics. Single-photon avalanche diodes (SPADs), capable of detecting picosecond-level transients at the single-photon level, are emerging as a key technology to meet these demands. While silicon-based SPADs perform well in the visible spectrum due to the maturity of CMOS technology, they suffer from efficiency drops in the near-infrared (NIR) and short-wave infrared (SWIR) regions, limited by silicon’s 1.1 eV indirect bandgap. Enhancing SPAD efficiency in the NIR/SWIR range is essential for eye-safe LiDAR, fiber optic communication, and free-space telecommunication applications.
This presentation delves into high-performance single-photon detectors using InGaAs/InP-based SPAD technologies, focusing on their use in quantum key distribution (QKD) and LiDAR. The research includes an extensive characterization of Selective Area Growth (SAG)-based and double-diffusion InGaAs/InP SPADs, examining dark count rate (DCR), photon detection probability (PDP), timing jitter, and uniformity. The novel SAG-based design reduces edge electric fields, enhancing DCR and uniformity.
Additionally, the talk will cover a unique SPAD simulation environment using TCAD tools and explore focal plane implementations of SPAD arrays for spatial resolution. Finally, it will address the design considerations and challenges of the read-out circuits for SPAD arrays.
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Résumé :
La détection de faible luminosité avec une précision spatiale et temporelle élevée est de plus en plus essentielle pour des applications telles que le LiDAR, l'imagerie biomédicale, la communication en espace libre et l'optique adaptative. Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD), capables de détecter des transitoires de l'ordre de la picoseconde au niveau d'un photon unique, apparaissent comme une technologie clé pour répondre à ces demandes. Bien que les SPAD à base de silicium fonctionnent bien dans le spectre visible en raison de la maturité de la technologie CMOS, ils souffrent de baisses d'efficacité dans les régions du proche infrarouge (NIR) et de l'infrarouge à ondes courtes (SWIR), limitées par la bande interdite indirecte de 1,1 eV du silicium. L'amélioration de l'efficacité du SPAD dans la gamme NIR/SWIR est essentielle pour les applications LiDAR, de communication par fibre optique et de télécommunication en espace libre sans danger pour les yeux.
Cette présentation se penche sur les détecteurs monophotoniques hautes performances utilisant les technologies SPAD basées sur InGaAs/InP, en se concentrant sur leur utilisation dans la distribution de clés quantiques (QKD) et LiDAR. La recherche comprend une caractérisation approfondie des SPAD InGaAs/InP basés sur SAG et à double diffusion, en examinant le taux de comptage d'obscurité (DCR), la probabilité de détection de photons (PDP), la gigue temporelle et l'uniformité. La nouvelle conception basée sur le SAG réduit les champs électriques de bord, améliorant ainsi le DCR et l'uniformité.
De plus, l'exposé couvrira un environnement de simulation SPAD unique utilisant les outils TCAD et explorera les implémentations du plan focal des réseaux SPAD pour la résolution spatiale. Enfin, la présentation abordera les considérations de conception et les défis des circuits de lecture pour les réseaux SPAD.
Biography:
Ekin Kizilkan received his B.S. degrees in Electrical and Electronics Engineering and Physics from Middle East Technical University, Ankara, Turkey, in 2016 and 2017, respectively, and his M.S. degree from École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Switzerland, in 2019. He earned his Ph.D. in 2024 from the Advanced Quantum Architecture Laboratory, EPFL. From 2016 to 2017, he worked as a Research Assistant at the Quantum Devices and Nanophotonics Research Laboratory, focusing on the design and fabrication of SWIR cameras based on III/V compound semiconductors. His research during his Ph.D. has focused on enhancing the performance of single-photon avalanche diodes (SPADs) in NIR/SWIR wavelengths using technologies such as CMOS, Germanium on Silicon, and III/V semiconductors.
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Ekin Kizilkan a obtenu son B.S. diplômes en génie électrique et électronique et en physique de l'Université technique du Moyen-Orient, Ankara, Turquie, en 2016 et 2017, respectivement, et sa maîtrise en génie électrique et électronique, diplôme de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Suisse, en 2019. Il a obtenu son doctorat en 2024 du Laboratoire d'Architecture Quantique Avancée de l'EPFL. De 2016 à 2017, il a travaillé comme assistant de recherche au Laboratoire de recherche sur les dispositifs quantiques et la nanophotonique, se concentrant sur la conception et la fabrication de caméras SWIR basées sur des semi-conducteurs composés III/V. Ses recherches au cours de son doctorat se sont concentrées sur l'amélioration des performances des diodes à avalanche à photon unique (SPAD) dans les longueurs d'onde NIR/SWIR en utilisant des technologies telles que le CMOS, le germanium sur silicium et les semi-conducteurs III/V.
Halil Kerim Yildirim of École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)
SAG-based InGaAs/InP SPADs for photon counting in SWIR wavelengths
Abstract:
Low-light detection with high spatial and temporal precision is increasingly critical for applications like LiDAR, biomedical imaging, free-space communication, and adaptive optics. Single-photon avalanche diodes (SPADs), capable of detecting picosecond-level transients at the single-photon level, are emerging as a key technology to meet these demands. While silicon-based SPADs perform well in the visible spectrum due to the maturity of CMOS technology, they suffer from efficiency drops in the near-infrared (NIR) and short-wave infrared (SWIR) regions, limited by silicon’s 1.1 eV indirect bandgap. Enhancing SPAD efficiency in the NIR/SWIR range is essential for eye-safe LiDAR, fiber optic communication, and free-space telecommunication applications.
This presentation delves into high-performance single-photon detectors using InGaAs/InP-based SPAD technologies, focusing on their use in quantum key distribution (QKD) and LiDAR. The research includes an extensive characterization of Selective Area Growth (SAG)-based and double-diffusion InGaAs/InP SPADs, examining dark count rate (DCR), photon detection probability (PDP), timing jitter, and uniformity. The novel SAG-based design reduces edge electric fields, enhancing DCR and uniformity.
Additionally, the talk will cover a unique SPAD simulation environment using TCAD tools and explore focal plane implementations of SPAD arrays for spatial resolution. Finally, it will address the design considerations and challenges of the read-out circuits for SPAD arrays.
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Résumé :
La détection de faible luminosité avec une précision spatiale et temporelle élevée est de plus en plus essentielle pour des applications telles que le LiDAR, l'imagerie biomédicale, la communication en espace libre et l'optique adaptative. Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD), capables de détecter des transitoires de l'ordre de la picoseconde au niveau d'un photon unique, apparaissent comme une technologie clé pour répondre à ces demandes. Bien que les SPAD à base de silicium fonctionnent bien dans le spectre visible en raison de la maturité de la technologie CMOS, ils souffrent de baisses d'efficacité dans les régions du proche infrarouge (NIR) et de l'infrarouge à ondes courtes (SWIR), limitées par la bande interdite indirecte de 1,1 eV du silicium. L'amélioration de l'efficacité du SPAD dans la gamme NIR/SWIR est essentielle pour les applications LiDAR, de communication par fibre optique et de télécommunication en espace libre sans danger pour les yeux.
Cette présentation se penche sur les détecteurs monophotoniques hautes performances utilisant les technologies SPAD basées sur InGaAs/InP, en se concentrant sur leur utilisation dans la distribution de clés quantiques (QKD) et LiDAR. La recherche comprend une caractérisation approfondie des SPAD InGaAs/InP basés sur SAG et à double diffusion, en examinant le taux de comptage d'obscurité (DCR), la probabilité de détection de photons (PDP), la gigue temporelle et l'uniformité. La nouvelle conception basée sur le SAG réduit les champs électriques de bord, améliorant ainsi le DCR et l'uniformité.
De plus, l'exposé couvrira un environnement de simulation SPAD unique utilisant les outils TCAD et explorera les implémentations du plan focal des réseaux SPAD pour la résolution spatiale. Enfin, la présentation abordera les considérations de conception et les défis des circuits de lecture pour les réseaux SPAD.
Biography:
Halil Kerim Yildirim (Student Member, IEEE) received the B.S. degree in electrical and electronics engineering from Boğaziçi University, Istanbul, Turkey, in 2018, the M.S. degree from École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Switzerland, in 2020. Since 2021, he has been working toward the Ph.D. degree in Advanced Quantum Architecture Laboratory. His research is on integrated circuit design for imagers, focusing on FMCW LiDAR systems, analog SiPMs for radiation detection and readout of InGaAs/InP based SPAD arrays for SWIR imaging.
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Halil Kerim Yildirim (membre étudiant, IEEE) a reçu le B.S. diplôme en génie électrique et électronique de l'Université Boğaziçi, Istanbul, Turquie, en 2018, le M.S. diplôme de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Suisse, en 2020. Depuis 2021, il prépare le doctorat au Laboratoire d'Architecture Quantique Avancée. Ses recherches portent sur la conception de circuits intégrés pour imageurs, en se concentrant sur les systèmes FMCW LiDAR, les SiPM analogiques pour la détection des rayonnements et la lecture des réseaux SPAD basés sur InGaAs/InP pour l'imagerie SWIR.
Due to limited spaces onlines, registered IEEE members will get priority to access the webinar. / En raison du nombre limité de places en ligne, les membres de l'IEEE inscrits seront prioritaires pour accéder au webinaire.