Utilisation de l`amplification par avalanche dans les capteurs CMOS
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Utilisation de l`amplification par avalanche dans les capteurs CMOS
THESE DE DOCTORAT Département ISAE : Électronique, Optronique et Signal Département CNES : Service Chaîne de Détection & Assurance Qualité Département DGA : Service MRIS (domaine nanotechnologie) Lieu : ISAE-Supaero, Toulouse Mél. : [email protected] Encadrement : Pierre MAGNAN et Philippe MARTINGONTHIER (ISAE), Cédric VIRMONTOIS (CNES) Durée : 3 ans Bourse : 2000€ brut par mois (base 2014) Date de démarrage : octobre 2015 [email protected] [email protected] DESCRIPTION DU SUJET DE THESE Réf : 2015-059 Domaine : Capteurs d’image intégrés, micro/nanoélectronique, physique des dispositifs semi-conducteurs, circuits intégrés CMOS. Titre : UTILISATION DE L’AMPLIFICATION PAR L’AVALANCHE DANS LES CAPTEURS D’IMAGES CMOS Les dispositifs reposant sur photo-détection à base de silicium, faisant usage des procédés de la microélectronique CMOS trouvent de nombreuses applications notamment dans le domaine spatial tant dans le cadre de l’imagerie haute résolution que de l’imagerie matricielle de distance (imagerie 3D, LIDAR/LADAR), de détecteur de flash, d’écartomètres laser ...etc. Les progrès considérables des technologies d’imagerie CMOS obtenus ces dernières années, en termes à la fois d’amélioration de performances en photo-détection et de réduction des bruits, font augurer de la possibilité d’envisager ces technologies pour des applications à très bas niveau de lumière (ou de signal) moyennant la poursuite de l’amélioration de la sensibilité avec comme cible ultime la capacité de détection du photon unique et la capacité d’opérer en mode comptage. Système LIDAR Satellite PLEIADES Les solutions actuellement exploitées, en excluant l’amplification électrostatique nécessitant un tube à vide, reposent sur la base de la multiplication de porteurs par ionisation par impact ou avalanche dans le matériau détecteur Silicium au travers de photodiodes à avalanche en mode linéaire (APD) et en mode Geiger (SPAD ) directement associées aux photo-détecteurs, ou dans les EMCCD sous forme d’un registre série de multiplication des charges. L’enjeu principal de ce sujet de thèse de doctorat, ciblé sur la capacité de détection du photon unique, vise, sur la base d’idées innovantes, à explorer de nouvelles voies d'exploitation dans les imageurs CMOS de la multiplication de porteurs de charges par ionisation par impact, en les associant à une lecture du signal idéalement, directement dans le domaine numérique et tirant le meilleur parti des procédés microélectroniques CMOS optimisés pour l’imagerie de dernière génération. De façon détaillée, le doctorant devra : Réaliser une revue bibliographique de l’état de l’art concernant : l’utilisation de l’ionisation par impact pour l’avalanche et notamment les transistors bipolaires à avalanche. les technologies CMOS optimisées pour l’imagerie. les dispositifs de lecture évènementielle permettant la lecture des signaux issus du transistor bipolaire à avalanche. Modéliser et simuler les phénomènes clés liées à l’ionisation par impact, notamment en simulation physique maillée de type TCAD. Rechercher et développer des solutions pour contenir les effets parasites associés à l’ionisation par impact, notamment l’électroluminescence dans l’infrarouge proche Réaliser sur silicium CMOS des structures de test d’étude des dispositifs envisagés (nœuds de lecture à jonction à avalanche, transistors bipolaires à avalanche) pour évaluer leurs caractéristiques statiques et dynamiques. Etudier et proposer des solutions de lecture du signal adaptées à la quantification directe réalisée grâce à l’avalanche afin de concevoir un prototype à échelle réduite (structures de test réalistes) pour évaluer et valider les concepts proposés Mesurer et analyser les structures conçues. Réaliser la synthèse des travaux développés durant la thèse. PROFIL DU CANDIDAT Le master ou diplôme d’ingénieur (ou équivalent) suivi devra être spécialisé dans au moins l’un des thèmes suivants : nano/microélectronique (conception, procédés de fabrication…) / optoélectronique / imagerie électronique, capteurs, détecteurs / physique des dispositifs semiconducteurs / physique du solide / électronique analogique et numérique.