Progettazione e realizzazione di un modulo basato su AQC integrato per SPAD HV reach-through

Single photon avalanche diodes (SPADs) are nowadays of fundamental importance and often preferred to other types of detectors in applications that use single photon counting (SPC) techniques. Among these, of particular interest are the SPAD Slick Reach-Through, characterized by a high photon detection efficiency (up to 75%) for absorbed light with wavelength in the near-infrared range (650 - 1050 nm ). This type of sensor is often used in geological survey applications that exploit the LiDAR technique, in optical communications and in microscopy. One of the major limitations of Slick SPADs and of the commercial modules that use them is the poor temporal resolution in terms of FWHM compared to the state of the art of SPADs, due to the large dimensions of the active area (180$mu$m). Another big limitations is that the detector's dead time is usually limited to 20ns, which translates into a maximum achievable count rate, in order to maintain minimum afterpulsing values. In order to improve the performance of these devices both in terms of minimum dead time and temporal resolution, we find the collaboration between the University of Illinois Urbana-Champagne and the research laboratory within which this thesis project was carried out. In a previous work it has been demonstrated that, thanks to the use of integrated AQCs characterized by a high quench speed and thanks to the implementation of a suitable signal pick-up circuitry, it is possible to obtain significant improvements in the aforementioned performances. In the work presented, it has been designed and realized a module that implements integrated AQCs designed within the research laboratory and a signal extraction circuit for time measurement. A new temperature control and a custom voltage regulator are also implemented to bias the SPAD with a stable and low noise voltage. From the tests carried out on the module, improvements of up to 30% were obtained in terms of FWHM reduction of the output pulse and it was possible to reduce the dead time down to 12ns while maintaining low afterpulsing values.

I diodo fotorilevatori a singolo fotone (SPAD) sono oggigiorno di fondamentale importanza e spesso preferiti ad altre tipologie di sensori nelle applicazioni che utilizzano tecniche di single photon counting (SPC). Tra questi, di particolare interesse sono gli SPAD Slick Reach-Through, caratterizzati da un'elevata efficienza di assorbimento (fino al 75%) per luce assorbita con lunghezza d'onda nell'intervallo del vicino-rosso infrarosso (650 - 1050 nm). Questa tipologia di sensore viene spesso utilizzata in applicazioni di rilevamento geologico che sfruttano la tecnica LiDAR, nelle comunicazioni ottiche e nella microscopia. Le maggiori limitazioni degli SPAD Slick e dei moduli commerciali che ne fanno uso sono la scarsa risoluzione temporale in termini di FWHM rispetto allo stato dell'arte degli SPAD, dovuta alle elevate dimensioni dell'area attiva (180$mu$m), e il tempo morto del rilevatore limitato di solito a 20ns, che si traduce in un valore massimo di count rate raggiungibile, al fine di mantenere valori minimi di afterpulsing. Nell'ottica di migliorare le prestazioni di questi dispositivi sia in termini di minimo tempo morto che di risoluzione temporale, si colloca la collaborazione tra l'università di Illinois Urbana-Champagne e il laboratorio di ricerca all'interno del quale è stato svolto il progetto di tesi descritto in questo elaborato. In un lavoro svolto precedentemente è stato dimostrato che, grazie all'utilizzo di AQC integrati caratterizzati da un velocità di quench elevata e all'implementazione di un apposita circuiteria di pick-up del segnale è possibile ottenere significativi miglioramenti delle prestazioni citate. Nel lavoro presentato è stato progettato e realizzato un modulo che utilizza AQC integrati progettati all'interno del laboratorio di ricerca e un apposito circuito di estrazione del segnale per la misura temporale. Vengono inoltre implementati un nuovo controllo in temperatura e un regolatore di tensione custom per polarizzare lo SPAD con una tensione stabile e poco rumorosa. Dai test effettuati sul modulo sono stati ottenuti miglioramenti fino al 30% in termini di riduzione di FWHM dell'impulso in uscita ed è stato possibile ridurre il tempo morto fino a 12ns mantenendo bassi valori di afterpulsing.