Time-gated single photon counting CMOS circuits

Single-photon sensitive measurements have shown their effectiveness in many industrial and research applications. The increasing trend to deploy portable and wearable devices is pushing towards the development of fully solid-state detectors and light sources. For this reason, CMOS Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) are becoming increasingly attractive for the development of large “smart” and low-cost array sensing systems. On the other hand, time-gated operation of SPADs is a desirable feature to filter incoming light and enhance detector performance and sensing capabilities. This thesis describes the development and deployment of monolithic time-gated, time-resolved SPAD array photodetection chips, in 0.16 µm BCD and 0.35 µm CMOS technologies. A first work described in this thesis is the development and testing of a fast-gated digital Silicon Photomultiplier with larger than 8 mm2 active-area, built-in Time-to-Digital Converter (TDC) and histogram generator, specifically designed for Time-resolved Near Infrared Spectroscopy (TD-NIRS), to be embedded in a compact multi-modal imaging system for breast cancer diagnosis. Afterwards, this thesis describes smart pixel architectures for time-resolved 0.35 µm CMOS SPAD imagers, then exploited in 32 × 32, 128 × 1 and 8 × 8 array imaging chips, aimed at applications requiring very low noise SPAD detectors to be operated in gated-mode. Finally, the thesis shows the design of a fast-gated SPAD imager in BCD technology, featuring high-resolution TDCs, differential sensing and event-driven readout for 3D Non-Line-Of-Sight (NLOS) imaging.

La fotorivelazione di singoli fotoni si è dimostrata efficace in molte applicazioni industriali e di ricerca. La crescente tendenza alla miniaturizzazione dei sistemi di rivelazione e alla fabbricazione di dispositivi portatili e indossabili sta spingendo verso rivelatori e sorgenti interamente a stato solido. Per questo motivo, diodi a valanga di singolo fotone (SPAD) in tecnologie CMOS stanno diventando sempre più interessanti per lo sviluppo di sensori intelligenti e a basso costo. Inoltre, operare SPAD in modalità time-gated è una funzionalità abilitante per filtrare temporalmente la luce incidente ed incrementare l’efficacia del rivelatore. Questa tesi descrive lo sviluppo e la caratterizzazione di matrici monolitiche di SPAD in tecnologie BCD 0.16 µm e CMOS 0.35 µm. Un primo lavoro descritto in questa tesi è la progettazione e la caratterizzazione di un fotomoltiplicatore al silicio digitale (dSiPM) con più di 8 mm2 di area attiva ed integrante un convertitore tempo-digitale (TDC) con istogrammatore, specificamente progettato per spettroscopia nel vicino infrarosso risolta nel tempo (TD-NIRS) ed integrato in un sistema compatto di diagnostica multi-modale per il tumore al seno. Nella seconda parte, la tesi descrive architetture di pixel intelligenti per sensori d’immagine risolti nel tempo con rivelatori SPAD in tecnologia 0.35 µm CMOS, che sono state impiegate in nuove matrici 32 × 32, 128 × 1 e 8 × 8, mirate ad applicazioni che necessitano di rivelatori SPAD con rumore particolarmente basso e operazione in modalità time-gated. Infine, la tesi presenta la progettazione in una matrice SPAD fast-gated in tecnologia BCD con TDC ad alta risoluzione, rivelazione differenziale e lettura event-driven per la mappatura 3D di scene fuori dal campo visivo dell’osservatore.