Fast-gated CMOS SPAD array for time-resolved Raman spectroscopy

In recent years, laser Raman spectroscopy has been used in many scientific fields, such as geology and mineralogy, pharmaceuticals, life sciences and medicine, art and archeology, gemology and planetary science, thus becoming an increasingly important tool. Its wide applicability comes from the fact that each band in a Raman spectrum represents the interaction of incident light with a vibrational mode in the molecule or crystal; it is therefore highly material specific and can be used for identification and structural characterization of unknown samples. Additionally, Raman is a non-destructive technique that requires no sample preparation and with capabilities to detect organic matter. Furthermore, another great advantage of Raman spectroscopy is that it operates with non-ionizing energies (photons in the VIS/NIR range), allowing measurements to be carried out in the field with no potential harm to people and materials. This also leads to possible mass-market exploitation. Nonetheless, one of the greatest flaws of Raman spectroscopy is the sensitivity to material fluorescence, which generates a background that negatively affects this sort of spectroscopy. Two key enabling technologies which allow to overcome this hindrance are pulsed diode lasers and time-resolved single photon avalanche diode (SPAD) detector arrays. This thesis project aims at developing a fast-gated CMOS SPAD array suitable for portable Raman spectrometers with the goal of setting a new benchmark for the performance (SPAD DCR and PDE, timing resolution and gate time constraints) in the field of SPAD imagers for time-resolved Raman spectroscopy. We designed an easily scalable architecture for photon-counting arrays based on compact smart pixels that comprise both the detector and the processing electronics, including global shutter and double buffering for near-unity duty cycle of the acquisition. The ASIC includes a complete system, capable of generating all the synchronization signals internally in response to an external SYNC signal.

Negli ultimi anni, la spettroscopia Raman é stata utilizzata in molti campi, quali la geologia e mineralogia, farmaceutica, medicina, archeologia, gemmologia e scienza planetaria, diventando così una tecnica dalla sempre maggiore importanza. La sua grande applicabilità deriva dal fatto che ogni banda dello spettro Raman rappresenta un’interazione tra la luce incidente e un modo vibrazionale della molecola o del cristallo di interesse; per questo motivo, questa tecnica può essere utilizzata per l’identificazione e la caratterizzazione strutturale di campioni sconosciuti. Inoltre, la spettroscopia Raman è una tecnica non distruttiva che non richiede alcuna preparazione del campione e permette l’analisi di materia organica. In aggiunta, la spettroscopia Raman possiede un ulteriore vantaggio, ossia di operare con radiazioni non ionizzanti, permettendo così di effettuare misurazioni senza arrecare danni a persone o cose. Di conseguenza, essa può essere sfruttata su larga scala. Tuttavia, uno dei più grandi punti deboli della spettroscopia Raman è la fluorescenza di fondo. Le tecnologie che hanno permesso di superare questo limite sono i laser impulsati e gli array di sensori a singolo fotone (SPAD) risoluti nel tempo. Questo progetto si propone di sviluppare un array di sensori CMOS adatto a spettrometri Raman portatili con l’obiettivo di creare un nuovo modello di riferimento per le prestazioni di rumore e timing nel campo dei sensori SPAD per spettroscopia Raman. In questo progetto di tesi è stata progettata un’architettura scalabile per il conteggio dei fotoni basata sulla creazione di un pixel che comprende sia il sensore che l’elettronica. La logica di lettura permette di eseguire simultaneamente sia acquisizione che lettura, riducendo i tempi morti. Il chip contiene, inoltre, un sistema in grado di generare internamente i segnali di sincronizzazione necessari per un corretto funzionamento dello stesso.