Design of a single photon sensor in a 28 nm FD-SOI CMOS technology - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

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

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

Résumé

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.
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.
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DOLATPOOR_LAKEH_Mohammadreza_2023_ED269.pdf (34.51 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04395908 , version 1 (15-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04395908 , version 1

Citer

Mohammadreza Dolatpoor Lakeh. Design of a single photon sensor in a 28 nm FD-SOI CMOS technology. Optics [physics.optics]. Université de Strasbourg, 2023. English. ⟨NNT : 2023STRAD034⟩. ⟨tel-04395908⟩
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