Characterization of SPAD imagers and gated SiPMs in BCD technology

This thesis deals with the characterization of both a “SPAD imager”, consisting of 5x5 pixels with totally asynchronous readout and a gated digital SiPM both manufactured in 0,16 μm BCD8sP technology by ST Microelectronics. The research group I have been working for during the thesis period, had already developed a similar “SPAD imager” in the 0.35 μm CMOS technology ( by Fraunhofer IMS), whereas no similar digital SiPMs had ever been fabricated in that technology. This thesis work begins by describing the system architecture I developed for the management of each device for the first characterization. The systems include PCB, software and VHDL code. The thesis then enters in detail of each of the two devices, focusing on the results of the characterization. The gated digital SiPM implements an architecture which had never been tested before, hence the project should be considered as an exploratory one. The bidimensional 5x5 SPADs Array has been developed in collaboration with the IIT Nanophysics Department ( Italian Institute of Technology ) because the BCD technology allows to reach higher System Detection Efficiency, SDE (also called Photon Detection Probability, PDP), also thanks to an higher “Fill Factor”, compared to the IMS technology. Furthermore, the BCD technolgy allows to reach a better temporal response and negligible afterpulsing. Before going into details about characterization of these two devices, the thesis gives an overview of the state of art of single photon detectors and their own features.

Questa tesi si occupa della caratterizzazione di uno “SPAD imager”, costituito da 5x5 pixels con lettura totalmente asincrona e di un gated digital SiPM, “fotomoltiplicatore al Silicio digitale attivabile” nella tecnologia da 0,16 μm BCD8sP di ST Microelectronics. Il gruppo di ricerca presso il quale ho svolto la tesi aveva già precedentemente sviluppato uno “SPAD imager” analogo, in un’altra tecnologia CMOS 0,35 μm (Fraunhofer IMS), mentre nessun SiPM digitale analogo era stato prodotto in tale tecnologia. Questo lavoro di tesi descrive in primis l’architettura del sistema che ho sviluppato per gestire ciascuno dei due dispositivi al fine di eseguire l’iniziale caratterizzazione, comprendente di PCB, software e codice VHDL; successivamente, entra nello specifico di ciascuno, focalizzandosi sui risultati ottenuti. Il SiPM digitale adotta un’architettura che non era stata testata precedentemente, perciò è da considerarsi come un progetto esplorativo. L’array bidimensionale 5x5 di SPADs è stato invece sviluppato in collaborazione con il dipartimento di nanofisica dell’IIT (Istituto Italiano di Tecnologia) perché la tecnologia BCD, rispetto a quella IMS, consente di raggiungere una efficienza di rivelazione del sistema più elevata (System Detection Efficiency, SDE, altresì chiamata Probabilità di Rilevazione dei Fotoni, PDP), anche grazie a un “Fill Factor” più alto, e consente di raggiungere una migliore risposta Temporale e “afterpulsing ” trascurabile. Prima di entrare nel dettaglio del lavoro svolto, la tesi parte innanzitutto con una panoramica generale sullo stato dell’arte dei rivelatori a singolo fotone e sulle loro caratteristiche.