projet « plasmoncmos - Plateforme d`attribution de ressources de

PROJET « PLASMONCMOS »
RAPPORT D’AVANCEMENT POUR DEMANDE
D’ATTRIBUTION DE RESSOURCES AU
SUPERCALCULATEUR CALMIP (SESSION 2015A)
2 décembre 2014

TABLE DES MATIÈRES
Contenu
Description du projet et besoins en modélisation _____________________________________________________ 1
Utilisation de CALMIP durant 2014 _____________________________________________________________________ 2
Prévisions pour l’utilisation de CALMIP en 2015 ______________________________________________________ 9
Production scientifique : _______________________________________________________________________________ 10

DESCRIPTION DU PROJET ET BESOINS EN MODELISATION
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Description du projet et besoins en modélisation
Le but de ce projet financé par la DGA et débuté en 2013 est d’étudier l’intégration d’une lentille
plasmonique sur un capteur d’image silicium CMOS afin d’en améliorer la collection des photons
dans la bande proche-infrarouge. Ce projet comporte deux volets : une phase de modélisation qui
permettra la conception de la structure et un second qui est expérimental. Concernant la phase de
modélisation, il est nécessaire de connaı̂tre la réponse optique de chaque pixel du capteur d’image,
les informations suivantes doivent être ainsi obtenues :
- Distribution de l’énergie électromagnétique dans toute la structure (avec et sans lentille, à
2 et 3 dimensions car de nombreuses métallisations sont présentes dans le pixel)
- Rendement énergétique au niveau de la zone photosensible (photodiode)
- Réponse spectrale du pixel
- Réponse angulaire du pixel pour prendre en compte le positionnement du plan focal
derrière une optique
La structure de lentille métallique plane choisie sera optimisée en fonction des contraintes
associées au capteur d’image. Afin de pouvoir procéder à une étude paramétrique et pour obtenir
toutes les informations requises sur la structures, la méthode FDTD a été retenue pour la phase de
conception / modélisation.
C’est le logiciel FDTD « Meep » qui a été choisi pour simuler la propagation électromagnétique à
travers struc tures de pixels multicouches. Nous avons donc fait une première demande de 6000h
pour l’année 2014 auprès de CALMIP pour utiliser ce logiciel via le supercalculateur. Les premiers
résultats obtenus grâce à l’accès au supercalculateur sont consignés dans la suite de ce rapport.

UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
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Utilisation de CALMIP durant 2014
FORMATION A L’OUTIL FDTD
Une première phase a été consacrée pour se former au logiciel FDTD en lui-même, il s’agissait de
sa première utilisation au laboratoire pour la simulation électromagnétique. Des structures de test
dont les réponses sont bien connues ont été modélisées pour comprendre puis maitriser les
paramètres géométriques, les propriétés optiques des matériaux utilisés (modèles dispersifs) et la
source d’éclairement (position par rapport à la structure et à la PML) mais aussi comment
récupérer différents critères de performance qui nous intéressent : cartographie de composantes
électromagnétiques, intégration de flux énergétique pour calculs de transmission notamment. Ces
résultats ont été confrontés à ceux fournis par des méthodes modales et une très bonne
adéquation a été montrée.
MODELISATION 2D D’UN PIXEL DU CAPTEUR
Nous avons d’abord modélisé la tranche d’un pixel « typique » d’un capteur d’images CMOS afin
d’analyser les performances initiales d’un pixel à nu (Figure 1). Elle est constituée d’un « stack
optique » en silice contenant des rails en aluminium (interconnexions électriques) déposé sur un
substrat en silicium. La photodiode de collection est supposée localisée à l’interface Silice /
Silicium. La structure est illuminée par une onde plane monochromatique (λ = 1,064 µm)
polarisée Transverse Magnétique (TM), en incidence normale. Des couches parfaitement
absorbantes entourent la structure modélisée pour considérer un pixel seul et isolé.
On observe sur la cartographie de l’intensité du champ électrique qu’une partie de la lumière
incidente est réfléchie et diffractée par les métallisations en aluminium du stack optique. Ceci a
pour effet de réduire la quantité de lumière reçue par la photodiode de chaque pixel et ainsi
diminue la qualité de l’image produite par le capteur d’image CMOS. Le coefficient de
transmission, qui est le rapport entre l’énergie reçue à l’entrée de la photodiode et l’énergie
incidente au pixel, devient alors très faible avec une valeur d’environ 20%.

UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
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Figure 1 : Schéma et cartographie de l’intensité du champ électrique d'un pixel CMOS sans lentille