Note ABES 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 Active quenching circuit Afterpulsing Body biasing FD-SOI CMOS Single photon avalanche diode (SPAD) 3D pixel Active quenching circuit Afterpulsing Body biasing FD-SOI CMOS Single photon avalanche diode (SPAD) 3D pixel 621.36 Capteurs d'images CMOS Photonique 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. Electronic Thesis or Dissertation Text en PDF 36205688 Université de Strasbourg Strasbourg 2024-12-31 https://theses.hal.science/tel-04395908 application/pdf 36189883 https://publication-theses.unistra.fr/public/theses_doctorat/2023/DOLATPOOR_LAKEH_Mohammadreza_2023_ED269.pdf http://www.theses.fr/2023STRAD034/abes https://theses.hal.science/tel-04395908 https://theses.hal.science/tel-04395908 https://theses.hal.science/tel-04395908 Dolatpoor Lakeh Mohammadreza 1993-09-13 FR 274944855 0EFB1U04TA4 21920474 4200020 http://www.theses.fr/2023STRAD034 2023STRAD034 2023-10-10 Électronique, microélectronique, photonique Strasbourg 131056549 Doctorat Docteur es non oui Uhring Wilfried Patrick MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_1 072149469 Kammerer Jean-Baptiste MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2 109249739 Calmon Francis MADS_PRESIDENT_DU_JURY 096255838 Cathelin Andreia MADS_MEMBRE_DU_JURY_1 124353967 Bruschini Claudio MADS_RAPPORTEUR_1 27494538X Magnan Pierre MADS_RAPPORTEUR_2 16218221X École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....) MADS_ECOLE_DOCTORALE_1 269 156504863 Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg ; 2013-....) MADS_PARTENAIRE_DE_RECHERCHE_1 260728 176969721 ddc:620 Uhring Wilfried Patrick Kammerer Jean-Baptiste Calmon Francis Cathelin Andreia Bruschini Claudio Magnan Pierre École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....) Laboratoire des sciences de l'ingénieur, de l'informatique et de l'imagerie (Strasbourg) PDF 36205688