Multispectral Terahertz and Visible Imaging in CMOS Technology

L’acquisizione di immagini nella gamma di frequenze dello spettro elettromagnetico solitamente identificata come regione terahertz (approssimativamente da 100GHz a 10THz) svela numerose opportunità, grazie alle proprietà uniche di questa specifica radiazione. Ciononostante, sono proprio queste specifiche caratteristiche che possono rendere di difficile interpretazione le immagini acquisite, ed allo stesso tempo certi tipi di dettagli possono essere identificati, a volte meglio, se usati congiuntamente ad altre lunghezze d’onda. Per questa ragione, in questa tesi si è perseguita la realizzazione di una telecamera multispettrale nel terahertz e nel visibile. Inoltre, per rendere la telecamera multispettrale pratica ed a basso costo, l’obiettivo è stato quello di realizzare il sensore utilizzando tecnologie CMOS convenzionali: per questo motivo, il principio di rivelazione che sfrutta il self-mixing con transistor CMOS è stato scelto per la radiazione terahertz, mentre si è optato per l’utilizzo di pixel attivi standard per le lunghezze d’onda visibili. Inizialmente e’ stato sviluppato un dettagliato modello analitico del rivelatore terahertz basato su self-mixing CMOS, con l’obiettivo di incrementare una comprensione profonda nella progettazione di questo tipo di rivelatore. Successivamente, è stato sviluppato il principio operativo a livello di sistema e di sensore della telecamera multispettrale terahertz e visibile, che hanno rappresentato la base per la progettazione del sensore di immagine in una tecnologia CMOS a 150nm. Il sensore realizzato implementa un array di 10x10 pixel sensibili nel terahertz e un array di 50x50 pixel sensibili nel visibile, il tutto integrato nello stesso chip di silicio, sullo stesso piano focale. La caratterizzazione eseguita ha validato il funzionamento previsto del sensore fino a 100 immagini al secondo, mentre immagini multispettrali sono state acquisite, dimostrando sia il principio che la capacità di operare in tempo reale. Ulteriori sviluppi sono stati anche conseguiti per quanto riguarda futuri dispositivi basati su CMOS per la rilevazione terahertz: (1) THzSET, un dispositivo che integra un single-electron bipolar transistor (SEBAT) assieme ad un transistor rivelatore in self-mixing, ottenendo la dimostrazione del principio di funzionamento, e (2) rivelatori basati su transistor a grafene, con una focalizzazione sulle sfide di integrazione in array di dispositivi in circuiti CMOS. Infine le prospettive sulla realizzazione di telecamere multispettrali nel terahertz e nel visibile, pratiche e portatili, sono analizzate ed elaborate, con l’obiettivo di portare il sistema sui campi applicativi in un futuro prossimo.

Imaging in the frequency range of the electromagnetic spectrum identified as the terahertz region (from approximately 100GHz to 10THz) opens many opportunities, thanks to the unique properties of this specific radiation. However, exactly these peculiarities can make the interpretation of the acquired images complex, and moreover several details can also be noticed, maybe better, in different wavelengths. For this reason, in this thesis the realization of a multispectral terahertz and visible camera is pursued. Additionally, to make the multispectral camera practical and low-cost, the implementation of the sensor by using standard CMOS technologies is targeted: because of this, the self-mixing FET CMOS detector is chosen for the terahertz radiation, while conventional active pixels are employed for the visible wavelengths. A detailed analytical model of the CMOS self-mixing terahertz detector is initially developed, with the objective to gain useful insights in the design and tuning of this kind of detectors. Then, a system- and sensor-level concept of the multispectral terahertz and visible camera is developed: this is used as a basis for the image sensor design in a 150nm CMOS technology. The realized sensor implements a 10x10 terahertz pixel array and a 50x50 visible pixel array on the same integrated circuit, laying on the same focal plane. Characterization proves the operation of the multispectral sensor up to 100 frames-per-second and multispectral images are acquired, demonstrating the real-time capabilities and validating the principle. Further developments are also performed for what concerns future CMOS-based devices for terahertz detection: (1) the THzSET, a device integrating a single-electron bipolar transistor (SEBAT) with a FET detector, obtaining proof of the operating principle, and (2) the graphene-based FET detector, with a focus on the integration challenges in arrays on top of CMOS integrated circuits. Perspectives on the realization of a practical and portable multispectral terahertz and visible camera with the developed sensor are eventually sketched, with the objective to explore application fields.