Conception d'un capteur de photon unique en technologie 28 nm FD-SOI CMOS

Design of a single photon sensor in a 28 nm FD-SOI CMOS technology

• Auteur / Autrice : Mohammadreza Dolatpoor Lakeh
• Direction : Wilfried Patrick Uhring, Jean-Baptiste Kammerer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Électronique, microélectronique, photonique
• Date : Soutenance le 10/10/2023
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....)
• Jury : Président / Présidente : Francis Calmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andreia Cathelin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudio Bruschini, Pierre Magnan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

Capteurs d'images CMOS

Mots clés libres

Active quenching circuit

Afterpulsing

Body biasing

FD-SOI CMOS

Single photon avalanche diode (SPAD)

3D pixel

Résumé

Les photodétecteurs à avalanche de photons uniques (SPAD) suscitent un intérêt croissant dans les applications de comptage de photons pour lesquels un taux de comptage élevé est nécessaire. Dans les pixels à SPAD conventionnels, un taux de comptage élevé est généralement source de bruit dit « afterpulsing ». Les circuits d’extinction active (AQ) sont une solution pour limiter cet effet au prix d’une consommation de surface supplémentaire réduisant ainsi la sensibilité du pixel. L’efficacité d’un circuit AQ dépend du temps de détection de l’avalanche, de sa contribution en charge au processus d’extinction, ainsi que de ses consommations d’espace et de puissance. Cette thèse vise à concevoir des circuits AQ capables de réduire efficacement l’effet d’ « afterpulsing » avec une faible consommation d’énergie et en occupant une surface minimale pour permettre ainsi le fonctionnement de pixels SPAD dans les applications à taux de comptage élevé. À cet égard, trois circuits AQ sont conçus avec différentes variations dans une technologie 28 nm CMOS FD-SOI. Les mesures expérimentales démontrent que ces circuits sont capables de réduire fortement l’effet d’ « afterpusling » tout en respectant les compromis mentionnés. De plus, la première intégration 3D monolithique de circuits AQ au-dessus d’une SPAD est présentée dans ce travail.

The Single Photon Avalanche Diode (SPAD) is gaining increasing interest in photon counting applications requiring a high photon count rate. However, conventional pixels face challenges with elevated afterpulsing noise as the count rate rises. Active Quenching (AQ) circuits present a solution to navigate this trade-off, albeit with increased area consumption, diminishing pixel sensitivity. The efficacy of an AQ circuit hinges on factors such as avalanche detection time, its charge contribution to the quenching process, and associated area and power consumptions. This thesis endeavors to design AQ circuits capable of effectively mitigating afterpulsing noise with minimal power consumption, while occupying the smallest possible area. This design objective aims to enable the operation of SPAD pixels in high photon count rate applications. To achieve this goal, three AQ circuits have been meticulously designed in various configurations using a 28 nm FD-SOI CMOS technology. Each circuit demonstrates a robust reduction in afterpulsing effects while carefully balancing the specified trade-offs, as verified through measurements. Furthermore, this work introduces the pioneering concept of the first monolithic 3D integration of SPAD with AQ circuits.