Front-side and back-side illuminated spad arrays for 2D imaging and 3D ranging

Over the last few years there has been a growing request for three-dimensional imaging systems, fostered by the needs of a number of applications in Safety and Security scenario, which demand fast data collection (hundreds of frames per second) at single-photon level with distance measurement over 20m for Safety applications and over 1km for Security ones. The aim of the research is to design monolithic Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) arrays and read-out electronics, in standard CMOS technology, able to provide simultaneously both high frame-rates and single-photon sensitivity. Moreover, the SPAD detector will be paired with sophisticated in-pixel intelligence able to process at the pixel level intensity data and depth-ranging information, enabling 3D mapping of rapidly changing scenes in light starved environments. Distance information could be retrieved with both pulsed and continuous wave indirect Time Of Flight (iTOF) method, thus making the sensor a suitable device not only for almost all Safety and Security applications, but also for adjacent markets (molecular imaging, fluorescence lifetime imaging, etc...) where indirect TOF can be exploited instead of the standard Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC) approach. The SPADs will be also operated in back-side illumination to achieve a higher pixel density (up to 100%) and an enhanced spectral sensitivity in the near-infrared.

Nel corso degli ultimi anni vi è stata una crescente richiesta di sistemi di imaging tridimensionale, favorita dalle esigenze di un certo numero di applicazioni, che richiedono la raccolta di dati con velocità di centinaia di fotogrammi al secondo e a livello di singolo fotone con una misurazione della distanza di oltre 20 metri per applicazioni di sicurezza e più di 1 km per i sistemi di sorveglianza. L'obiettivo della ricerca è quello di progettare array monolitici di Single-Photon Avalanche Diode (SPAD) array in tecnologia CMOS, in grado di fornire simultaneamente elevate velocità di acquisizione e la sensibilità al singolo fotoni. A tal fine, ciascun rilevatore SPAD sarà accoppiato con una sofisticata elettronica in grado di elaborare il segnale acquisito all'interno del pixel in modo da estrarre informazioni inerenti la distanza degli oggetti ripresi, consentendo così la mappatura tridimensionale di oggetti in movimento anche in ambienti molto bui. Il sensore è stato progettato per recuperare informazioni tridimensionali con elevata precisione anche a lunghe distanze, attraverso la misurazione indiretta del tempo di volo. Ciò rende il sensore adatto non solo per quasi tutte le applicazioni di sicurezza, ad esempio per sistemi automobilistici anticollisione, ma anche per settori adiacenti (molecular imaging, imaging di fluorescenza, ecc ...) in cui la misura indiretta del tempo di volo può essere sfruttata al posto di un approccio standard basato sulla Time-Correlated Single-Photon Counting (TCSPC). Inoltre strutture innovative di back-side illuminated SPAD sono studiate e discusse per ottenere una maggiore densità di pixel (fino al 100%) e una maggiore sensibilità spettrale nel vicino infrarosso.