Microelectronics for single-photon Time-of-Flight measurements

In the last years, the accurate measurement of time intervals is required in many single-photon detection applications, based on time-of-flight (TOF) and Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) techniques, such as fluorescence lifetime microscopy, time-resolved spectroscopy or 3D ranging based on LiDAR (light detection and ranging). A number of technologies can reach single-photon sensitivity; however, among those, only SPADs (Single-Photon Avalanche Diodes) are the only solution capable of simultaneously achieving single-photon sensitivity and time-resolved detection in a rugged and compact solution that can be realistically employed in outdoor environments. Arrays of CMOS SPADs or Silicon PhotoMultipliers (SiPM) are attractive sensor choices for these applications, due to their high detection efficiency, relatively low-voltage operation, high timing resolution, and full compatibility with standard CMOS processing, thus allowing the development and exploitation of monolithic circuits integrating both sensor and processing electronics. This PhD research aims at developing state-of-the-art time-interval measurement microelectronic integrated circuits, with few picoseconds of resolution, low non-linearity and high conversion rate, as required by so many applications. Advanced time-interval electronics was designed to be integrated into CMOS SPAD arrays and also as stand-alone integrated circuit, for TCSPC and TOF based applications. The first step of my PhD research was the design of a novel Time-to-Digital Converter (TDC), to be the core of the following time interval measurement chips, capable of high performance and with an architecture easily expandable for SPAD arrays. The successive step was the characterization and testing of the developed TDC to prove the architecture and performance and successively the integration of the designed TDC into large CMOS SiPM and SPAD arrays.

Negli ultimi anni, la misura accurata degli intervalli di tempo è divenuta fondamentale in diverse applicazioni a singolo fotone, basate sulle tecniche Time-of-Flight (TOF) e Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC), come FLIM, spettroscopia risolta nel tempo o 3D ranging basato su LiDAR (light detection and ranging). Numerose tecnologie sono in grado di ottenere la sensibilità al singolo fotone, tuttavia, tra tutte queste, solo i rivelatori SPAD (Single-Photon Avalanche Diodes) sono la soluzione in grado di raggiungere simultaneamente la sensibilità al singolo fotone e la risoluzione temporale in una soluzione compatta e robusta che può essere impiegati in diverse situazioni. Matrici basate su SPAD CMOS o Silicon PhotoMultiplier (SiPM) rappresentano i sensori più adatti per queste applicazioni, grazie alla loro elevata efficienza, bassa tensione operativa, elevata risoluzione temporale e piena compatibilità con i processi di fabbricazione microelettronici, che ne permette l'integrazione assieme all’elettronica di elaborazione dati in circuiti monolitici CMOS. Questo lavoro di dottorato ha come obbiettivo lo sviluppo di circuiti microelettronici integrati per la misura degli intervalli di tempo con prestazione allo stato dell’arte, permettendo di raggiungere una risoluzione di pochi picosecondi, bassa non-linearità ed alto tasso di conversione, come richiesto da molteplici applicazioni. Tale elettronica avanzata è stata sviluppata per poter essere integrata in matrice di SPAD CMOS e anche come dispositivo stand-alone, per le applicazioni basate su TOF e TCSPC. Il primo passo di questo lavoro è stato la progettazione di un innovativo Time-to-Digital Converter (TDC), che rappresenta il nucleo dei dispositivi per la misura dell’intervallo di tempo, in grado di offrire prestazioni elevate e un’architettura facilmente espandibile per matrici basati su SPAD. Il passo successivo è stato la caratterizzazione e il test dei TDC sviluppati per dimostrare l’architettura e le prestazioni per poi successivamente, proseguire nell’integrazione dei TDC progettati in matrice di SPAD CMOS e SiPM ad elevata area.