Progetto di un sistema di readout in tecnologia 150nm per matrici di SPAD custom per applicazioni LIDAR

In the last twenty years, the LIDAR (Light Imaging Detection And Ranging) technique has succeeded in establishing itself as a fundamental technique for the study of the Earth’s atmosphere. Recently, technological advances in the field of single-photon detectors and the associated electronics have made it possible to extend the range of applications of LIDAR, allowing for the study of the first meters of the sea surface. The LIDAR technique is based on the emission of a laser pulse followed by the measurement of the arrival time and the number of photons reflected by the target towards particular sensors capable of detecting a single photon. From the temporal measurement, the position of the target can be determined, while from the number of photons it is possible to extract information regarding the chemical-physical aspects of the target itself. During this thesis project, two prototypes were developed for the feasibility study of a photon-counting system based on a matrix consisting of 256x256 custom SPAD sensors. The SPADs (Single Photon Avalanche Diode) made with custom technology show better performance than those made with standard CMOS technology, but make the integration between the SPAD itself and the electronics they require more difficult. The first prototype was constructed by modifying the software and hardware of an existing photon counting system and aimed to test the algorithms that implement photons counting and measure their arrivals over time. The second prototype, built with CMOS 150nm technology, lays the foundation for the realization of the electronics dedicated to the counting of photons and the temporal measurement for the 256x256 matrix. The second prototype consists of a modular structure, capable of measuring the arrival time of reflected photons and counting up to a maximum of 32 photons, which can, at the same time, anticipate and solve the problems that will arise when the matrix will be realized with 256x256 pixels.

Nell’ultimo ventennio la tecnica LIDAR (Light Imaging Detection And Ranging) è riuscita ad imporsi come tecnica fondamentale per lo studio dell’atmosfera terrestre. Recentemente, i progressi tecnologici nell’ambito dei fotorivelatori a singolo fotone e dell’elettronica ad essi associata hanno permesso di poter estendere le applicazioni del LIDAR, permettendo anche lo studio dei primi metri della superficie marina. La tecnica LIDAR si basa sull’emissione di un impulso laser e sulla misura del tempo di arrivo e del numero di fotoni riflessi dal bersaglio verso particolari sensori capaci di rivelare il singolo fotone. Dalla misura temporale è possibile localizzare la posizione del bersaglio, mentre dal conteggio del numero di fotoni è possibile estrarre informazioni riguardanti gli aspetti chimici-fisici del bersaglio stesso. Nel corso di questo lavoro di tesi sono stati sviluppati due prototipi per lo studio di fattibilità di un sistema di conteggio di fotoni basato su una matrice costituita da 256×256 sensori SPAD custom. Gli SPAD (Single Photon Avalanche Diode) realizzati in tecnologia custom mostrano parametri migliori rispetto a quelli realizzati in tecnologia standard CMOS, ma rendono più difficile l’integrazione tra lo SPAD stesso e l’elettronica di cui necessitano.Il primo prototipo, realizzato modificando il software e l’hardware di un sistema di conteggio di fotoni preesistente, ha avuto l’obiettivo di testare l’algoritmo che implementa il conteggio dei fotoni e l’algoritmo che ne misura l’arrivo nel tempo. Il secondo prototipo, realizzato in tecnologia CMOS 150nm, pone le basi perla realizzazione dell’elettronica dedicata al conteggio di fotoni e alla misura temporale per la matrice 256×256. Il secondo prototipo consiste nella realizzazione di una struttura modulare, in grado di misurare il tempo di arrivo dei fotoni e contarne fino ad un massimo di 32, ma che al tempo stesso sia capace di anticipare e risolvere le problematiche che nasceranno quando si realizzerà la matrice 256×256.