Low-power CMOS digital-pixel Imagers for high-speed uncooled PbSe IR applications
Authors:   , Margarit Taulé Josep Maria 
Published: August 2023

This PhD dissertation describes the research and development of a new low-cost medium wavelength infrared MWIR monolithic imager technology
for high-speed uncooled industrial applications. It takes the baton on the latest technological advances in the field of vapour phase deposition (VPD)
PbSe-based medium wavelength IR (MWIR) detection accomplished by the industrial partner NIT S.L., adding fundamental knowledge on the investigation of novel VLSI analog and mixed-signal design techniques at circuit and system levels for the development of the readout integrated device attached to the detector.
The work supports on the hypothesis that, by the use of the preceding design techniques, current standard inexpensive CMOS technologies fulfill all
operational requirements of the VPD PbSe detector in terms of connectivity, reliability, functionality and scalability to integrate the device. The resulting monolithic PbSe-CMOS camera must consume very low power, operate at kHz frequencies, exhibit good uniformity and fit the CMOS read-out active pixels in the compact pitch of the focal plane, all while addressing the particular characteristics of the MWIR detector: high dark-to-signal ratios, large input parasitic capacitance values and remarkable mismatching in PbSe integration.
In order to achieve these demands, this thesis proposes null inter-pixel crosstalk vision sensor architectures based on a digital-only focal plane array (FPA) of configurable pixel sensors. Each digital pixel sensor (DPS) cell is equipped with fast communication modules, self-biasing, offset cancellation, analog-to-digital converter (ADC) and fixed pattern noise (FPN) correction. In-pixel power consumption is minimized by the use of comprehensive MOSFET subthreshold operation.
The main aim is to potentiate the integration of PbSe-based infra-red (IR)-image sensing technologies so as to widen its use, not only in distinct scenarios, but also at different stages of PbSe-CMOS integration maturity. For this purpose, we posit to investigate a comprehensive set of functional blocks distributed in two parallel approaches:
• Frame-based “Smart” MWIR imaging based on new DPS circuit topologies with gain and offset FPN correction capabilities. This research
line exploits the detector pitch to offer fully-digital programmability at pixel level and complete functionality with input parasitic capacitance compensation and internal frame memory.
• Frame-free “Compact”-pitch MWIR vision based on a novel DPS lossless analog integrator and configurable temporal difference, combined with asynchronous communication protocols inside the focal plane. This strategy is conceived to allow extensive pitch compaction and readout speed increase by the suppression of in-pixel digital filtering, and the use of dynamic bandwidth allocation in each pixel of the FPA.
In order make the electrical validation of first prototypes independent of the expensive PbSe deposition processes at wafer level, investigation is extended as well to the development of affordable sensor emulation strategies and integrated test platforms specifically oriented to image read-out integrated circuits. DPS cells, imagers and test chips have been fabricated and characterized in standard 0.15μm 1P6M, 0.35μm 2P4M and 2.5μm 2P1M CMOS technologies, all as part of research projects with industrial partnership.
The research has led to the first high-speed uncooled frame-based IR quantum imager monolithically fabricated in a standard VLSI CMOS technology, and has given rise to the Tachyon series [1], a new line of commercial IR cameras used in real-time industrial, environmental and transportation control systems. The frame-free architectures investigated in this work represent a firm step forward to push further pixel pitch and system bandwidth up to the limits imposed by the evolving PbSe detector in future generations of the device.
La present tesi doctoral descriu la recerca i el desenvolupament d'una nova tecnologia monolítica d'imatgeria infraroja de longitud d'ona mitja (MWIR), no refrigerada i de baix cost, per a usos industrials d'alta velocitat. El treball pren el relleu dels últims avenços assolits pel soci industrial NIT S.L. en el camp dels detectors MWIR de PbSe depositats en fase vapor (VPD), afegint-hi coneixement fonamental en la investigació de noves tècniques de disseny de circuits VLSI analògics i mixtes pel desenvolupament del dispositiu integrat de lectura unit al detector pixelat. Es parteix de la hipòtesi que, mitjançant l'ús de les esmentades tècniques de disseny, les tecnologies CMOS estàndard satisfan tots els requeriments operacionals del detector VPD PbSe respecte a connectivitat, fiabilitat, funcionalitat i escalabilitat per integrar de forma econòmica el dispositiu. La càmera PbSe-CMOS resultant ha de consumir molt baixa potència, operar a freqüències de kHz, exhibir bona uniformitat, i encabir els píxels actius CMOS de lectura en el pitch compacte del pla focal de la imatge, tot atenent a les particulars característiques del detector: altes relacions de corrent d'obscuritat a senyal, elevats valors de capacitat paràsita a l'entrada i dispersions importants en el procés de fabricació. Amb la finalitat de complir amb els requisits previs, es proposen arquitectures de sensors de visió de molt baix acoblament interpíxel basades en l'ús d'una matriu de pla focal (FPA) de píxels actius exclusivament digitals. Cada píxel sensor digital (DPS) està equipat amb mòduls de comunicació d'alta velocitat, autopolarització, cancel·lació de l'offset, conversió analògica-digital (ADC) i correcció del soroll de patró fixe (FPN). El consum en cada cel·la es minimitza fent un ús exhaustiu del MOSFET operant en subllindar. L'objectiu últim és potenciar la integració de les tecnologies de sensat d'imatge infraroja (IR) basades en PbSe per expandir-ne el seu ús, no només a diferents escenaris, sinó també en diferents estadis de maduresa de la integració PbSe-CMOS. En aquest sentit, es proposa investigar un conjunt complet de blocs funcionals distribuïts en dos enfocs paral·lels: - Dispositius d'imatgeria MWIR "Smart" basats en frames utilitzant noves topologies de circuit DPS amb correcció de l'FPN en guany i offset. Aquesta línia de recerca exprimeix el pitch del detector per oferir una programabilitat completament digital a nivell de píxel i plena funcionalitat amb compensació de la capacitat paràsita d'entrada i memòria interna de fotograma. - Dispositius de visió MWIR "Compact"-pitch "frame-free" en base a un novedós esquema d'integració analògica en el DPS i diferenciació temporal configurable, combinats amb protocols de comunicació asíncrons dins del pla focal. Aquesta estratègia es concep per permetre una alta compactació del pitch i un increment de la velocitat de lectura, mitjançant la supressió del filtrat digital intern i l'assignació dinàmica de l'ample de banda a cada píxel de l'FPA. Per tal d'independitzar la validació elèctrica dels primers prototips respecte a costosos processos de deposició del PbSe sensor a nivell d'oblia, la recerca s'amplia també al desenvolupament de noves estratègies d'emulació del detector d'IR i plataformes de test integrades especialment orientades a circuits integrats de lectura d'imatge. Cel·les DPS, dispositius d'imatge i xips de test s'han fabricat i caracteritzat, respectivament, en tecnologies CMOS estàndard 0.15 micres 1P6M, 0.35 micres 2P4M i 2.5 micres 2P1M, tots dins el marc de projectes de recerca amb socis industrials. Aquest treball ha conduït a la fabricació del primer dispositiu quàntic d'imatgeria IR d'alta velocitat, no refrigerat, basat en frames, i monolíticament fabricat en tecnologia VLSI CMOS estàndard, i ha donat lloc a Tachyon, una nova línia de càmeres IR comercials emprades en sistemes de control industrial, mediambiental i de transport en temps real.