275 research outputs found

    Robust low power CMOS methodologies for ISFETs instrumentation

    No full text
    I have developed a robust design methodology in a 0.18 [Mu]m commercial CMOS process to circumvent the performance issues of the integrated Ions Sensitive Field Effect Transistor (ISFET) for pH detection. In circuit design, I have developed frequency domain signal processing, which transforms pH information into a frequency modulated signal. The frequency modulated signal is subsequently digitized and encoded into a bit-stream of data. The architecture of the instrumentation system consists of a) A novel front-end averaging amplifier to interface an array of ISFETs for converting pH into a voltage signal, b) A high linear voltage controlled oscillator for converting the voltage signal into a frequency modulated signal, and c) Digital gates for digitizing and differentiating the frequency modulated signal into an output bit-stream. The output bit stream is indistinguishable to a 1st order sigma delta modulation, whose noise floor is shaped by +20dB/decade. The fabricated instrumentation system has a dimension of 1565 [Mu] m 1565 [Mu] m. The chip responds linearly to the pH in a chemical solution and produces a digital output, with up to an 8-bit accuracy. Most importantly, the fabricated chips do not need any post-CMOS processing for neutralizing any trapped-charged effect, which can modulate on-chip ISFETs’ threshold voltages into atypical values. As compared to other ISFET-related works in the literature, the instrumentation system proposed in this thesis can cope with the mismatched ISFETs on chip for analogue-to-digital conversions. The design methodology is thus very accurate and robust for chemical sensing

    Investigation of CMOS sensing circuits using hexagonal lattices

    Get PDF

    Propuesta de arquitectura y circuitos para la mejora del rango dinámico de sistemas de visión en un chip diseñados en tecnologías CMOS profundamente submicrométrica

    Get PDF
    El trabajo presentado en esta tesis trata de proponer nuevas técnicas para la expansión del rango dinámico en sensores electrónicos de imagen. En este caso, hemos dirigido nuestros estudios hacia la posibilidad de proveer dicha funcionalidad en un solo chip. Esto es, sin necesitar ningún soporte externo de hardware o software, formando un tipo de sistema denominado Sistema de Visión en un Chip (VSoC). El rango dinámico de los sensores electrónicos de imagen se define como el cociente entre la máxima y la mínima iluminación medible. Para mejorar este factor surgen dos opciones. La primera, reducir la mínima luz medible mediante la disminución del ruido en el sensor de imagen. La segunda, incrementar la máxima luz medible mediante la extensión del límite de saturación del sensor. Cronológicamente, nuestra primera opción para mejorar el rango dinámico se basó en reducir el ruido. Varias opciones se pueden tomar para mejorar la figura de mérito de ruido del sistema: reducir el ruido usando una tecnología CIS o usar circuitos dedicados, tales como calibración o auto cero. Sin embargo, el uso de técnicas de circuitos implica limitaciones, las cuales sólo pueden ser resueltas mediante el uso de tecnologías no estándar que están especialmente diseñadas para este propósito. La tecnología CIS utilizada está dirigida a la mejora de la calidad y las posibilidades del proceso de fotosensado, tales como sensibilidad, ruido, permitir imagen a color, etcétera. Para estudiar las características de la tecnología en más detalle, se diseñó un chip de test, lo cual permite extraer las mejores opciones para futuros píxeles. No obstante, a pesar de un satisfactorio comportamiento general, las medidas referentes al rango dinámico indicaron que la mejora de este mediante sólo tecnología CIS es muy limitada. Es decir, la mejora de la corriente oscura del sensor no es suficiente para nuestro propósito. Para una mayor mejora del rango dinámico se deben incluir circuitos dentro del píxel. No obstante, las tecnologías CIS usualmente no permiten nada más que transistores NMOS al lado del fotosensor, lo cual implica una seria restricción en el circuito a usar. Como resultado, el diseño de un sensor de imagen con mejora del rango dinámico en tecnologías CIS fue desestimado en favor del uso de una tecnología estándar, la cual da más flexibilidad al diseño del píxel. En tecnologías estándar, es posible introducir una alta funcionalidad usando circuitos dentro del píxel, lo cual permite técnicas avanzadas para extender el límite de saturación de los sensores de imagen. Para este objetivo surgen dos opciones: adquisición lineal o compresiva. Si se realiza una adquisición lineal, se generarán una gran cantidad de datos por cada píxel. Como ejemplo, si el rango dinámico de la escena es de 120dB al menos se necesitarían 20-bits/píxel, log2(10120/20)=19.93, para la representación binaria de este rango dinámico. Esto necesitaría de amplios recursos para procesar esta gran cantidad de datos, y un gran ancho de banda para moverlos al circuito de procesamiento. Para evitar estos problemas, los sensores de imagen de alto rango dinámico usualmente optan por utilizar una adquisición compresiva de la luz. Por lo tanto, esto implica dos tareas a realizar: la captura y la compresión de la imagen. La captura de la imagen se realiza a nivel de píxel, en el dispositivo fotosensor, mientras que la compresión de la imagen puede ser realizada a nivel de píxel, de sistema, o mediante postprocesado externo. Usando el postprocesado, existe un campo de investigación que estudia la compresión de escenas de alto rango dinámico mientras se mantienen los detalles, produciendo un resultado apropiado para la percepción humana en monitores convencionales de bajo rango dinámico. Esto se denomina Mapeo de Tonos (Tone Mapping) y usualmente emplea solo 8-bits/píxel para las representaciones de imágenes, ya que éste es el estándar para las imágenes de bajo rango dinámico. Los píxeles de adquisición compresiva, por su parte, realizan una compresión que no es dependiente de la escena de alto rango dinámico a capturar, lo cual implica una baja compresión o pérdida de detalles y contraste. Para evitar estas desventajas, en este trabajo, se presenta un píxel de adquisición compresiva que aplica una técnica de mapeo de tonos que permite la captura de imágenes ya comprimidas de una forma optimizada para mantener los detalles y el contraste, produciendo una cantidad muy reducida de datos. Las técnicas de mapeo de tonos ejecutan normalmente postprocesamiento mediante software en un ordenador sobre imágenes capturadas sin compresión, las cuales contienen una gran cantidad de datos. Estas técnicas han pertenecido tradicionalmente al campo de los gráficos por ordenador debido a la gran cantidad de esfuerzo computacional que requieren. Sin embargo, hemos desarrollado un nuevo algoritmo de mapeo de tonos especialmente adaptado para aprovechar los circuitos dentro del píxel y que requiere un reducido esfuerzo de computación fuera de la matriz de píxeles, lo cual permite el desarrollo de un sistema de visión en un solo chip. El nuevo algoritmo de mapeo de tonos, el cual es un concepto matemático que puede ser simulado mediante software, se ha implementado también en un chip. Sin embargo, para esta implementación hardware en un chip son necesarias algunas adaptaciones y técnicas avanzadas de diseño, que constituyen en sí mismas otra de las contribuciones de este trabajo. Más aún, debido a la nueva funcionalidad, se han desarrollado modificaciones de los típicos métodos a usar para la caracterización y captura de imágenes

    Integrated circuit & system design for concurrent amperometric and potentiometric wireless electrochemical sensing

    Get PDF
    Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) biosensor platforms have steadily grown in healthcare and commerial applications. This technology has shown potential in the field of commercial wearable technology, where CMOS sensors aid the development of miniaturised sensors for an improved cost of production and response time. The possibility of utilising wireless power and data transmission techniques for CMOS also allows for the monolithic integration of the communication, power and sensing onto a single chip, which greatly simplifies the post-processing and improves the efficiency of data collection. The ability to concurrently utilise potentiometry and amperometry as an electrochemical technique is explored in this thesis. Potentiometry and amperometry are two of the most common transduction mechanisms for electrochemistry, with their own advantages and disadvantages. Concurrently applying both techniques will allow for real-time calibration of background pH and for improved accuracy of readings. To date, developing circuits for concurrently sensing potentiometry and amperometry has not been explored in the literature. This thesis investigates the possibility of utilising CMOS sensors for wireless potentiometric and amperometric electrochemical sensing. To start with, a review of potentiometry and amperometry is evaluated to understand the key factors behind their operation. A new configuration is proposed whereby the reference electrode for both electrochemistry techniques are shared. This configuration is then compared to both the original configurations to determine any differences in the sensing accuracy through a novel experiment that utilises hydrogen peroxide as a measurement analyte. The feasibility of the configuration with the shared reference electrode is proven and utilised as the basis of the electrochemical configuration for the front end circuits. A unique front-end circuit named DAPPER is developed for the shared reference electrode topology. A review of existing architectures for potentiometry and amperometry is evaluated, with a specific focus on low power consumption for wireless applications. In addition, both the electrochemical sensing outputs are mixed into a single output data channel for use with a near-field communication (NFC). This mixing technique is also further analysed in this thesis to understand the errors arising due to various factors. The system is fabricated on TSMC 180nm technology and consumes 28µW. It measures a linear input current range from 250pA - 0.1µW, and an input voltage range of 0.4V - 1V. This circuit is tested and verified for both electrical and electrochemical tests to showcase its feasibility for concurrent measurements. This thesis then provides the integration of wireless blocks into the system for wireless powering and data transmission. This is done through the design of a circuit named SPACEMAN that consists of the concurrent sensing front-end, wireless power blocks, data transmission, as well as a state machine that allows for the circuit to switch between modes: potentiometry only, amperometry only, concurrent sensing and none. The states are switched through re-booting the circuit. The core size of the electronics is 0.41mm² without the coil. The circuit’s wireless powering and data transmission is tested and verified through the use of an external transmitter and a connected printed circuit board (PCB) coil. Finally, the future direction for ongoing work to proceed towards a fully monolithic electrochemical technique is discussed through the next development of a fully integrated coil-on-CMOS system, on-chip electrodes with the electroplating and microfludics, the development of an external transmitter for powering the device and a test platform. The contributions of this thesis aim to formulate a use for wireless electrochemical sensors capable of concurrent measurements for use in wearable devices.Open Acces

    Extended dynamic range from a combined linear-logarithmic CMOS image sensor

    Get PDF

    Low-power CMOS digital-pixel Imagers for high-speed uncooled PbSe IR applications

    Get PDF
    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.Postprint (published version

    Photodiodes and Image Sensors on Mechanically Flexible Ultra-Thin Silicon Chips-in-Foil

    Get PDF
    CMOS-Bildsensoren haben in den letzten zwei Jahrzehnten enorme technologische Fortschritte erfahren und sich als eine wettbewerbsfähige Alternative gegenüber CCDBildsensoren auf dem Markt etabliert. Reduziert man die Chipdicke von CMOSBildsensoren von normal 725 μm auf ≤ 30 μm, erhält man mechanisch flexible Bildaufnehmer. Gewölbte CMOS-Bildsensoren würden für die optische Wahrnehmung völlig neue Möglichkeiten eröffnen (wie z. B. bei Insektenaugen). Betrachtet man die auf dem Chip integrierten Bauelemente und Schaltungen unter mechanischen Spannungen, stellt man fest, dass ihre elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften von der ausgeübten mechanischen Spannung beeinflusst werden. Für den technischen Einsatz ist eine vom mechanischen Zustand des Bildsensors unbeinflusste Funktion erforderlich. Der Einfluss von mechanischer Spannung auf die Bauelemente- und Schaltungs-Charakteristiken und seine Minimierung bzw. Kompensation sind daher von besonderem Interesse. In dieser Arbeit wurden die optischen und elektrischen Eigenschaften von passiven und aktiven Bauelementen, sowie integrierten Schaltungen auf monokristallinen gedünnten flexiblen Siliziumchips unter mechanischen Spannungen untersucht. Der Einfluss von mechanischen Spannungen auf optische Eigenschaften (spektrale Lichtempfindlichkeit, Dunkelstrom und elektronisches Rauschen) einzelner p-n-Übergang basierter Photodioden und Bildsensorarrays auf (100)-Siliziumwafern wurde theoretisch modelliert und experimentell charakterisiert. Weiterhin wurden die elektrischen Eigenschaften (Ladungsträgerbeweglichkeit, Schwellenspannung, 1/f Rauschen) von MOSFeldeffekttransistoren in Bezug auf mechanischen Spannungen charakterisiert und ihre Abhängigkeit von der Orientierung zur Kristallorientierung des Substrats untersucht. Integrierte Schaltungen, wie Bandgap-Referenzspannungsquellen, Operationsverstärker und SC-basierte Schaltungen wurden unter mechanischen Spannungen theoretisch betrachtet, entworfen, gefertigt und experimentell charakterisiert. Mit Hilfe des in dieser Arbeit vorgeschlagenen und eingesetzten Simulationskonzeptes, ist die Schaltungssimulation der obengenannten Abhängigkeiten möglich. Dadurch hat der Schaltungsentwickler die Möglichkeit Schaltungskonzepte zur Kompensation oder Minimierung der von der mechanischen Spannung hervorgerufenen Einflüsse zu simulieren. In dieser Hinsicht werden Schaltungskonzepte und Design-Regeln präsentiert, die den Einfluss von mechanischen Spannungen auf Bildsensorchips berücksichtigen und minimieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde darüber hinaus ein mechanisch flexibler Bildsensorchip entworfen, simuliert und gefertigt, dessen Betrieb unabhängig von der ausgeübten mechanischen Spannung ist. Der ultra-dünne 20 μm Bildsensorchip ist geeignet auf zylindrisch gewölbte Oberflächen aufgebracht zu werden und erlaubt die Aufnahme raumrichtungsselektiver optischer Informationen im Sinne eines Panoramablicks.CMOS image sensors (CIS) have experienced the last two decades tremendous technological advances rendering them a viable alternative to charged couple devices (CCDs) not only in high volume applications but also in applications which require high spatial and temporal resolution, high dynamic range, low noise or high sensitivity levels. CISs are employed due to their increased chip thickness (ca. 750 μm) solely in the traditional planar image acquisition. If the chip thickness could be reduced down to or less than 30 μm, the silicon chips would become mechanically flexible. Such flexible CISs could substantially extend the application spectrum of image sensors in non-conventional imaging systems (e.g. imitating insect vision). However, the on-chip integrated devices and circuits exhibit stress-induced changes on their electrical and optoelectronic characteristics. Since a stress independent operation is striven, the minimization or compensation of the influence of mechanical stress on the characteristics of devices and circuits is of great interest. In this work optical and electrical properties of passive and active devices as well as integrated circuits on ultra-thin monolithic flexible silicon chips have been investigated under the application of mechanical stress. The influence of mechanical stress on the optical characteristics (spectral sensitivity, dark current and electronic noise) of p-n junction based photodiodes and image sensor chips on (100)-silicon wafers have been theoretically modeled and experimentally characterized. Moreover, the electrical characteristics (carrier mobility, threshold voltage and 1/f noise) of mechanically strained MOS field-effect transistors and their dependence on the channel orientation on the substrate have been investigated. Integrated circuits such as bandgap reference voltage sources, operational amplifiers and switched capacitor (SC) based circuits have been theoretically treated, designed, fabricated and experimentally characterized. Within this framework a simulation technique has been proposed and deployed, which allows the simulation of the above mentioned stress dependence on device and circuit level. The analog circuit designer can employ the simulation technique toward the proposal of circuit topologies or techniques, which minimize or compensate the strain-induced changes on the circuit operation. In this direction, circuit concepts and design rules are proposed, which minimize the influence of mechanical stress on flexible CIS chips. Within the scope of this work, a mechanically flexible CMOS image sensor chip has been designed, simulated and fabricated, which operation is stress independent. The developed ultra-thin 20 μm CIS chip can be wrapped around a cylindrically curved surface and thus record panoramic optical information

    Miniaturized Silicon Photodetectors

    Get PDF
    Silicon (Si) technologies provide an excellent platform for the design of microsystems where photonic and microelectronic functionalities are monolithically integrated on the same substrate. In recent years, a variety of passive and active Si photonic devices have been developed, and among them, photodetectors have attracted particular interest from the scientific community. Si photodiodes are typically designed to operate at visible wavelengths, but, unfortunately, their employment in the infrared (IR) range is limited due to the neglectable Si absorption over 1100 nm, even though the use of germanium (Ge) grown on Si has historically allowed operations to be extended up to 1550 nm. In recent years, significant progress has been achieved both by improving the performance of Si-based photodetectors in the visible range and by extending their operation to infrared wavelengths. Near-infrared (NIR) SiGe photodetectors have been demonstrated to have a “zero change” CMOS process flow, while the investigation of new effects and structures has shown that an all-Si approach could be a viable option to construct devices comparable with Ge technology. In addition, the capability to integrate new emerging 2D and 3D materials with Si, together with the capability of manufacturing devices at the nanometric scale, has led to the development of new device families with unexpected performance. Accordingly, this Special Issue of Micromachines seeks to showcase research papers, short communications, and review articles that show the most recent advances in the field of silicon photodetectors and their respective applications

    Photodetectors based on low-dimensional materials and hybrid systems

    Get PDF
    Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit de CiènciesIn the last decade, two-dimensional (2D) materials have attracted attention both in the nascent field of flexible nanotechnology as well as in more conventional semiconductor technol-ogies. Within the rapidly expanding portfolio of 2D materials, the group of semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) has emerged as an intriguing candidate for various optoelectronic applications. The atomically thin profile, favorable bandgap and outstanding electronic properties of TMDCs are unique features that can be explored and applied in novel photodetecting platforms. This thesis presents highly sensitive two-dimensional phototransistors made of sub-nanometre thick TMDC channels. Firstly, an encapsulation route is developed to address the detrimental and, to date, uncontrollable impact of atmospheric adsorbates, which severely deteriorate detector performance. The passivation scheme improves the transport properties of TMDCs, leading to high photoconductive gain with gate dependent responsivity of 10 -10^4 A/W throughout the visible, and temporal response down to 10 ms, which is suitable for imaging applications. The atomic device thickness yields ultra-low dark current operation and record detectivity of 10^11 - 10^12 Jones for TMDC-based detectors is achieved. The use of monolayer TMDCs, however, has disadvantages like limited spectral absorption due to the bandgap and limited absorption efficiency. In order to increase the absorption and to extend the spectral coverage, TMDC channels are covered with colloidal quantum dots to make hybrid phototransistors. This compelling synergy combines strong and size-tunable light absorption within the QD film, efficient charge separation at the TMDC-QD interface and fast carrier transport through the 2D channel. This results in large gain of 10^6 electrons per absorbed photon and creates the basis for extremely sensitive light sensing. Colloidal quan-tum dots are an ideal sensitizer, because their solution-processing and facile implementation on arbitrary substrates allows for low-cost fabrication of hybrid TMDC-QD devices. Moreover, the custom tailored bandgap of quantum dots provides the photodetector with wide spectral tunability. For photodetection in the spectral window of NIR/SWIR, which is still dominated by expensive and complex epitaxy-based technologies, these hybrid detectors have the potential to favorably compete with commercially available systems. The interface of the TMDC-QD hybrid is of paramount importance for sensitive detector operation. A high density of trap states at the interface is shown to be responsible for inefficient gate-control over channel conductivity, which leads to high dark currents. To maintain the unique electrical field-effect modulation in TMDCs upon deposition of colloidal quantum dots, a passivation route of the interface with semiconducting metal-oxide films is developed. The buffer-layer material is selected such that charge transfer from QDs into the channel is favored. The retained field-effect modulation with a large on/off ratio allows operation of the phototransistor at significantly lower dark currents than non-passivated hybrids. A TMDC-QD phototransistor with an engineered interface that exhibits detectivity of 10^12 - 10^13 Jones and response times of 12 ms and less is reported. In summary, this work showcases prototype photodetectors made of encapsulated 2D TMDCs and TMDC-QD hybrids. Plain TMDC-detectors have potential for application as flexible and semi-transparent detector platforms with high sensitivity in the visible. The hybrid TMDC-QD device increases its spectral selectivity to the NIR/SWIR due to the variable absorption of the sensitizing quantum dots and reaches compelling performance thanks to im-proved light-matter interaction and optimized photocarrier generation.En la última década ha surgido un gran interés por los materiales bidimensionales (2D) tanto para las tecnologías emergentes de dispositivos flexibles, como para las tecnologías de semiconductores tradicionales. Dentro del creciente catálogo de materiales 2D, los semiconductores basados en dicalcogenuros de metales de transición (DCMTs) han surgido como candidatos para aplicaciones optoelectrónicas. Sus características únicas, tales como grosor atómico, banda prohibida y propiedades electrónicas pueden ser examinadas y aplicadas en nuevas plataformas de fotodetección. En esta tesis se presentan nuevos fototransistores bidimensionales ultrasensibles basados en canales de DCMTs subnanométricos. Se presenta una ruta de encapsulación para intentar solucionar el impacto negativo, e incontrolable hasta la fecha, producido por la adsorción de sustancias atmosféricas que degradan el funcionamiento de los detectores. Este proceso mejora el transporte en los DCMTs dando lugar a una gran ganancia fotoconductora, una respuesta, dependiente de la tensión aplicada en el gate, de 10-10^4 A/W en el visible y una respuesta temporal de tan solo 10 ms, todo ello adecuado para aplicaciones de imagen. El grosor atómico de los dispositivos da lugar a corrientes de oscuridad muy bajas y una detectividad de 10^11-10^12 Jones. Sin embargo, el uso de monocapas de DCMTs presenta ciertas desventajas como por ejem-plo una eficiencia en la absorción baja. Con el fin de mejorar la absorción, los canales de DCMTs se han recubierto con puntos cuánticos (QDs) para fabricar fototransistores híbridos. Esta sinergia combina la alta absorción de los QDs, una eficiente separación de cargas en la interfaz DCMT-QD y un rápido transporte de cargas a través del canal 2D. Todo esto resulta en una ganancia de 10^6 electrones por fotón absorbido y crea la base para sensores de luz extremadamente sensibles. Los puntos cuánticos coloidales son sensibizadores ideales ya que su procesado en disolución y su fácil incorporación sobre cualquier sustrato permiten la fabricación de sistemas híbridos DCMT-QD a bajo coste. Además, la posibilidad de modifi-car la banda prohibida, ofrecida por los QDs, proporciona al fotodetector una amplia respuesta espectral. Para fotodetección en la ventana espectral del infrarrojo cercano (NIR/SWIR), estos detectores híbridos presentan el potencial de competir favorablemente con los sistemas comerciales disponibles. La interfaz entre el híbrido DCMT-QD es de la mayor importancia para la sensibilidad del detector. Se ha demostrado que una alta densidad de trampas en la interfaz es la responsable del ineficiente control mediante el gate de la conductividad del canal, dando lugar a corrientes de oscuridad muy altas. Para mantener la excepcional modulación de efecto campo aún después de la deposición de los QDs, se ha desarrollado una ruta de pasivación de la interfaz con óxidos metálicos semiconductores. El material de esta capa amortiguadora (buffer) es seleccionado de tal manera que permita la transferencia de cargas desde los puntos cuánticos hasta el canal DCMT. Esto retiene la modulación de efecto campo con una relación encendido/apagado muy alta, permitiendo el funcionamiento del fototransistor con corrientes de oscuridad significativamente menores que las de los híbridos sin pasivar. Así, se presenta un fototransistor híbrido DCMT-QD, con una interfaz cuidadosamente diseñada, que exhibe una detectividad de 10^12-10^13 Jones. En resumen, este trabajo presenta unos prototipos de fotodetectores basados en DCMT 2D encapsulados y en híbridos DCMT-QD. Los fotodetectores basados en DCMT simples presentan potencial para su aplicación en detectores flexibles y semitransparentes, con gran sensibilidad en el visible. Los híbridos DCMT-QD amplían la selectividad espectral al infrarrojo cercano gracias a la absorción variable ofrecida por los puntos cuánticos y alcanzan un muy interesante rendimiento gracias a una mejor interacción luz-materia.Award-winningPostprint (published version

    CMOS optical centroid processor for an integrated Shack-Hartmann wavefront sensor

    Get PDF
    A Shack Hartmann wavefront sensor is used to detect the distortion of light in an optical wavefront. It does this by sampling the wavefront with an array of lenslets and measuring the displacement of focused spots from reference positions. These displacements are linearly related to the local wavefront tilts from which the entire wavefront can be reconstructed. In most Shack Hartmann wavefront sensors, a CCD is used to sample the entire wavefront, typically at a rate of 25 to 60 Hz, and a whole frame of light spots is read out before their positions are processed. This results in a data bottleneck. In this design, parallel processing is achieved by incorporating local centroid processing for each focused spot, thereby requiring only reduced bandwidth data to be transferred off-chip at a high rate. To incorporate centroid processing at the sensor level requires high levels of circuit integration not possible with a CCD technology. Instead a standard 0.7J..lmCMOS technology was used but photodetector structures for this technology are not well characterised. As such characterisation of several common photodiode structures was carried out which showed good responsitivity of the order of 0.3 AIW. Prior to fabrication on-chip, a hardware emulation system using a reprogrammable FPGA was built which implemented the centroiding algorithm successfully. Subsequently, the design was implemented as a single-chip CMOS solution. The fabricated optical centroid processor successfully computed and transmitted the centroids at a rate of more than 2.4 kHz, which when integrated as an array of tilt sensors will allow a data rate that is independent of the number of tilt sensors' employed. Besides removing the data bottleneck present in current systems, the design also offers advantages in terms of power consumption, system size and cost. The design was also shown to be extremely scalable to a complete low cost real time adaptive optics system
    corecore