Smart spad pixel for simultaneous photon counting and timing with ambient light rejection

Various applications require the acquisition of bidimensional and/or tridimensional images at low light levels and at high frame rates, possibly without a strong external illumination. For example, we can mention commercial applications in Safety (food product analysis, work monitoring, environmental surveillance), Security (access control, biometric identification, homeland security, surveillance systems) and Transportation (autonomous vehicle security systems, traffic monitoring, augmented vision systems for the driver) sectors. Other applications are found in the scientific research domain, such as molecular imaging, fluorescence lifetime imaging, confocal microscopy, micro-array or bead based biological analysis. Common requirements for imagers destined to these applications are the need of single-photon sensitivity in the visible and near infrared spectrum, fast integration times in the order of µs (in order to obtain videos of fast transients), single-photon timing precision below 1 ns (for Time of Flight and lifetime imaging applications), sufficiently high 2D and 3D resolution over a wide range of distances and adequate frame rate to allow for real-time acquisition and processing. Power consumption should also be kept under control to avoid the need of bulky thermal solutions and to reduce the amount of self-heating, which is detrimental for the detector performance. This thesis work describes the process of designing the electronics to be paired with a 50-ps capable Time to Digital Converter (TDC) and four SPAD detectors in order to build a smart “pixel” for large scale integration. The technology chosen is 0.16 µm BCD (Bipolar, CMOS, DMOS) thanks to the availability of high-voltage devices and advanced isolation structures, together with a low-voltage CMOS logic on the same substrate. The first part of the thesis describes typical applications of SPAD detectors and imagers, concentrating on the requirements for typical applications. The second part of the work concentrates on the development of a new-generation SPAD pixel featuring 4-to-1 SPAD-to-TDC sharing, which introduces various working modes that make it well suited for applications ranging from FLIM to dTOF measurements, including the ability of operating simultaneous counting and timing operations. In order to allow dTOF measurements under high background illumination, a background reject mode that exploits the coincidence of multiple detectors is introduced. The third part focuses on the issues raising from the integration of the pixel structure in a large imager, and introduces solutions to limit the performance degradation.

Svariate applicazioni richiedono l’acquisizione di immagini bidimensionali e/o tridimensionali a bassi livelli di illuminazione ed ad alti frame rate, possibilmente senza l’impiego di forti fonti di illuminazione che sono normalmente richieste da imager ad alta velocità. Per esempio, si possono citare applicazioni in ambito commerciale in ambiti di Safety (analisi di prodotti alimentari, monitoraggio del lavoro, sorveglianza ambientale), di Security (controllo degli accessi, identificazione biometrica, sicurezza nazionale e sistemi di sorveglianza) e nel settore dei trasporti (sistemi di sicurezza autonomi per veicoli, monitoraggio del traffico, sistemi di visione aumentata per il guidatore). Altre applicazioni si possono riscontrare nel settore della ricerca scientifica, come l’imaging molecolare, microscopia a misurazione del tempo di vita della fluorescenza e confocale, analisi biologica basata su micro-array o bead. Richieste comuni per imager destinati a queste applicazioni sono la sensitività al singolo fotone nello spettro del visibile e del vicino infrarosso, rapidi tempi d’integrazione nell’ordine del microsecondo (per permettere l’acquisizione di video di transienti veloci), accuratezza nella stima del tempo d’arrivo del singolo fotone migliore di un nanosecondo (per misure basate sul tempo di volo o sulla correlazione temporale di singoli fotoni) ed infine sufficiente risoluzione bidimensionale e tridimensionale, accoppiata ad un’alta frequenza di ripetizione delle acquisizioni, per garantire un’efficace acquisizione dei dati per permettere il processing in tempo reale dei dati acquisiti. Anche il consumo di potenza dovrebbe essere limitato, in modo da evitare la necessità di impiegare ingombranti sistemi di raffreddamento ed allo stesso tempo evitare il surriscaldamento del rivelatore, che ne peggiora le prestazioni. In questo lavoro di tesi verrà descritto il processo di progettazione dell’elettronica da accoppiare ad un convertitore tempo-digitale, in grado di ottenere una risoluzione di 50 ps, e 4 fotodiodi a singolo fotone in modo da costruire un nuovo “pixel” pensato per l’integrazione in larga scala per un nuovo sensore d’immagine general-purpose. La tecnologia scelta per questo lavoro di tesi è una BCD (Bipolare, CMOS, DMOS) 0.16 µm che permette di integrare dispositivi in grado di reggere alte tensioni assieme a rivelatori e logica a bassa tensione sullo stesso substrato, grazie a strutture d’isolamento avanzate. La prima parte della tesi descrive le tipiche applicazioni di sensori e imager SPAD, concentrandosi sulle specifiche richieste per tali applicazioni. La seconda parte del lavoro si incentra sullo sviluppo di un pixel per sensore d’immagine SPAD di nuova generazione che introduce la condivisione di un solo convertitore tempo-digitale tra 4 sensori, includendo anche svariate modalità di funzionamento che lo rendono adatto per applicazione che variano dalla FLIM alla misura del tempo di volo dTOF; è inclusa la possibilità di operare simultaneamente sia misure del tempo d’arrivo del singolo fotone sia il conteggio del numero di fotoni incidenti. Per facilitare le misure del tempo di volo in presenza di una elevata illuminazione ambientale è introdotta una modalità di reiezione del fondo che sfrutta la coincidenza tra più rivelatori. La terza parte riguarda le criticità riscontrate nell’integrazione del singolo pixel in un sensore d’immagine di grandi dimensioni, e possibili soluzioni per contrastare il degrado delle prestazioni.