Single photon avalanche diode arrays for quantum applications

Quantum imaging exploits quantum correlations to image objects at low light (single-photon) regime, with unprecedented vertical dimension sensitivities (a few atomic layers) and very large field-of-view (tens of mm2), surpassing the limits imposed by the laws of classical optics. Single Photon Avalanche Diodes (SPADs) are the forefront detectors for this application, thanks to their single-photon sensitivity, good detection efficiency, relatively low voltage operation, sharp timing resolution, room temperature operation, and compatibility with standard CMOS microelectronic processes. Thus, high performing sensors are obtained by the monolithic integration of high detection efficiency and low noise SPADs along with their sensing circuits, and suitably designed processing digital electronics. The main goal of this research project work is to illustrate the design, characterization and testing of a pioneering SPAD imager targeting quantum imaging applications. Indeed, the design of this SPAD imager was achieved within the framework of the European Horizon 2020 FET project “Q-MIC”, whose final target was the development of a microscope with unprecedented phase resolution capabilities, by exploiting quantum sources and single-photon detectors. The detector, manufactured in a 0.16 μm BCD (Bipolar – CMOS – DMOS) technology, has been conceived targeting all the features of the ideal quantum imager, i.e., photon coincidence detection capability, high-pixel count, event-driven readout, and spatial resolution. This dissertation will also include the design of a multi-channel SPAD chip to be integrated along with silicon photonics, as part of the Horizon 2020 FET project “UNIQORN”, and the testing of SPAD pixels with extremely short dead times, enabling giga count per second applications.

Nelle applicazioni che si basano su quantum imaging vengono sfruttate sorgenti di luce quantistica, traendo quindi vantaggio dalla loro correlazione spaziale e temporale, per rappresentare oggetti in regime di scarsa illuminazione (singolo fotone), con sensibilità mai raggiunta (pochi strati atomici) e campo visivo molto ampio (decine di mm2), pertanto superando i limiti imposti dalle leggi dell'ottica classica. Gli SPAD (Single Photon Avalanche Diodes) sono i rivelatori ideali per queste applicazioni di questo tipo, grazie alla loro sensibilità al singolo fotone, la buona efficienza, la possibilità di lavorare a tensione contenute, la risoluzione temporale, il funzionamento a temperatura ambiente ed infine alla compatibilità con i processi CMOS. È quindi possibile ottenere sensori ad alte prestazioni integrando monoliticamente SPAD a basso rumore ed alta efficienza insieme ai loro circuiti di front-end e all'elettronica digitale di elaborazione. L'obiettivo principale di progetto di ricerca è illustrare la progettazione, la caratterizzazione e il test di un imager SPAD destinato ad applicazioni di quantum imaging. Il design di questa matrice di SPAD è stato realizzato nell'ambito del progetto europeo Horizon 2020 FET “Q-MIC”, il cui obiettivo finale era lo sviluppo di un microscopio con capacità di risoluzione di fase mai raggiunta prima, traendo appunto vantaggio dall’utilizzo di sorgenti quantistiche e rivelatori SPAD. Il chip, prodotto con una tecnologia BCD (Bipolar - CMOS - DMOS) 0.16 μm, è stato concepito tenendo conto di tutte le caratteristiche dell'imager ideale per questo tipo di applicazioni, ovvero capacità di rilevamento della coincidenza di fotoni, gran numero di pixel, lettura guidata da eventi e risoluzione spaziale. Questo lavoro di tesi include inoltre anche la progettazione di un chip multicanale con SPAD da integrare con elementi di fotonica integrata, nell'ambito del progetto FET di Horizon 2020 "UNIQORN", e il test di pixel con SPAD con tempi di hold-off estremamente brevi, che possono essere utilizzati in applicazioni che richiedono un numero molto alto di conteggi (oltre 1 Gcps).