Microelectronics and instrumentation for single-photon imaging

In recent years, an increasing number of applications have emerged which can significantly benefit from the ability of detecting fast and faint light signals, requiring sensitivity down to the single-photon level and sub-nanosecond resolution; these requirements are usually paired with the necessity of acquiring high frame rate, two- and three-dimensional movies of the scene under analysis. These applications range from industrial and automotive uses, such as object or obstacle recognition, road safety, depth-resolved ambient surveillance, to biomedical applications like fluorescence lifetime microscopy or time-resolved spectroscopy, and even to consumer applications such as gaming and gesture recognition. A number of technologies exist which can reach single-photon sensitivity; however, among those, SPADs (Single-Photon Avalanche Diodes) are the only solution capable of simultaneously achieving single-photon sensitivity, time-resolved detection and high frame rate, in a rugged and compact solution that can be realistically employed outside of a laboratory environment. As an example, Charge Coupled Devices (CCDs) can reach very high sensitivity, almost to the single photon, but suffer from very long integration times and require cooling systems to reduce their noise; electron multiplying or intensified CCDs can indeed detect single photons, but still require cooling and their bulky and delicate setups make them ill-suited for uses outside of a laboratory environment. Lastly, technologies such as Photomultiplier Tubes (PMTs) or Microchannel Plates (MCPs) also exist, but their vacuum-tube nature hinders integration with per-pixel electronics. SPAD arrays however are excellent candidates for such applications, due to their high detection efficiency, relatively low voltage operation, high timing resolution and compatibility with standard CMOS fabrication processes, thus allowing the development and exploitation of monolithic circuits integrating both sensor and processing electronics. This Ph.D. project aims at developing new CMOS SPAD imaging chips able to satisfy the numerous requirements that arise from such a varied set of applications: namely, high resolution (tens of picoseconds) time measurement capabilities, time-gated detection of incoming photons, simultaneous measurement of the photon counts and their time of arrival for reconstructing intensity and depth resolved images, and flexible readout systems to allow the end-user to tune the detector data- and frame-rate.

Negli ultimi anni è stato possibile osservare la comparsa di numerose applicazioni che traggono vantaggio o sono rese possibili dalla capacità di rilevare segnali ottici molto deboli e molto veloci. Queste applicazioni richiedono sensibilità molto alte, fino al livello del singolo fotone, e risoluzioni temporali al di sotto del nanosecondo. Questi requisiti sono solitamente uniti alla necessità di acquisire filmati bi- e tridimensionali ad alto frame rate della scena od oggetto sotto investigazione. Queste applicazioni spaziano un'ampia gamma di settori, dall'uso industriale ed automotive (riconoscimento di oggetti ed ostacoli, sistemi di assistenza alla guida di veicoli, sorveglianza di ambienti...), ad applicazioni biomediche (spettroscopia tempo-risolta, FLIM...) fino ad utilizzi in ambito consumer. Esistono varie tecnologie per realizzare rilevatori di singoli fotoni. Tra di esse si distingue lo SPAD (Single-Photon Avalanche Diode), in quanto in grado di offrire contemporaneamente sensibilità al singolo fotone, ottima risoluzione temporale ed efficienza di rilevazione, alti frame rate, compattezza e robustezza; tutto questo, in un dispositivo a funzionante a bassa tensione e compatibile con il processo di fabbricazione CMOS, che ne permette l'integrazione assieme ad elettronica di elaborazione dati in circuiti monolitici. Questo lavoro mira allo sviluppo di un nuovo sensore d'immagine CMOS basato su SPAD capace di soddisfare i numerosi requisiti che derivano da una così ampia gamma di applicazioni: alta risoluzione temporale (dell'ordine delle decine di picosecondi), possibilità di avere precise finestre temporali di attivazione del sensore, conteggio di fotoni simultaneo alla misura del loro tempo di arrivo (ottenendo immagini risolte contemporaneamente sia in distanza che in intensità), e dotato di un sistema di lettura flessibile, che permetta all'utente finale di trovare il miglior compromesso tra frame rate e quantità di dati generati dal sistema.