CMOS SPAD arrays for a dual layer position sensitive detector

The increasing demand for devices capable of detecting a single photon having their main characteristics a high degree of integration, low production cost, adaptability to a matrix structures and ease of production, has led to the development of the so called SPAD (Single Photon Avalanche Diode). The operation of these devices is based on the working principle of a reverse biased p-n junction. In particular, a SPAD sensor is reverse biased at a voltage whose modulus is greater than the breakdown voltage of the device. A strong electric field is therefore generated in the active area of the SPAD, capable of accelerating an ionised charge carrier and triggering a self-sustaining avalanche. The impulse signal generated by the SPAD is the signal of interest. The noise in a SPAD manifests itself in the form of random current, mainly due to the random generation of charge carriers in the depleted region of the device. This noise is generally represented through a parameter called Dark Count Rate (DCR). The DCR indicates the number of avalanches generated per second by the SPAD in a condition of total darkness, therefore, not generated by a particle incident on the active area. This thesis work is concerned with the characterization of SPAD arrays in a 150 nm CMOS technology and with the design of SPAD arrays in a 110 nm CMOS technology. takes advantage of the coincidence of the signals coming from the two layers of the sensor. The single layer SPADs exhibits much higher DCR noise than those in dual layer configuration, which takes advantage of the coincidence of the signals coming from the two layers of the sensor to drastically reduce the DCR.

La richiesta, sempre più diffusa, di dispositivi di semplice realizzazione e capaci di rivelare un singolo fotone e con caratteristiche di elevato grado di integrazione, basso costo di produzione e adattabilità a strutture a matrice, ha portato allo sviluppo dei cosiddetti diodi a valanga a rivelazione di singolo fotone, o SPAD (Single Photon Avalanche Diode). Il funzionamento di questi dispositivi è basato sul principio operativo di una giunzione p-n polarizzata in inversa. In particolare, lo SPAD viene polarizzato inversamente con una tensione in modulo maggiore della tensione di breakdown del dispositivo. Nell’area attiva dello SPAD viene generato un forte campo elettrico in grado di accelerare portatori di carica ottenuti per ionizzazione del reticolo e scatenare un processo di generazione a valanghe in grado di autosostenersi. Il segnale impulsivo generato dallo SPAD è il segnale di interesse. Il rumore in uno SPAD si manifesta d’altro canto nella forma di impulsi di corrente determinati per lo più dalla generazione casuale di carica nella zona svuotata del dispositivo. Esso è misurato tramite un parametro chiamato Dark Count Rate (DCR). Il DCR indica il numero di processi di generazione a valanga che hanno luogo in un secondo in uno SPAD in una condizione di buio totale, non dovuti dunque ad una particella incidente sull’area attiva. In questa tesi viene descritta sia la caratterizzazione di matrici di SPAD in tecnologia CMOS da 150 nm sia la progettazione di matrici di SPAD in tecnologia CMOS da 110 nm. La caratterizzazione sperimentale è stata effettuata sia su matrici di sensori a singolo strato, sia su matrici di SPAD a doppio strato. Il chip a singolo strato mostra un DCR molto più elevato rispetto al chip a due strati che, grazie alla lettura in coincidenza dei segnali provenienti dai due livelli del sensore, riesce a ridurre drasticamente il DCR.