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 dé cembre 2014
TABLE DES MATIÈRES
Contenu
Description du projet et besoins en modé lisation _____________________________________________________ 1
Utilisation de CALMIP durant 2014 _____________________________________________________________________ 2
Pré visions pour l’utilisation de CALMIP en 2015 ______________________________________________________ 9
Production scientifique : _______________________________________________________________________________ 10
DESCRIPTION DU PROJET ET BESOINS EN MODELISATION
Description du projet et besoins en modé lisation
Le but de ce projet financé par la DGA et dé buté en 2013 est d’é tudier l’inté gration d’une lentille
plasmonique sur un capteur d’image silicium CMOS afin d’en amé liorer la collection des photons
dans la bande proche-infrarouge. Ce projet comporte deux volets : une phase de modé lisation qui
permettra la conception de la structure et un second qui est expé rimental. Concernant la phase de
modé lisation, il est né cessaire de connaı̂tre la ré ponse optique de chaque pixel du capteur d’image,
les informations suivantes doivent ê tre ainsi obtenues :
-
Distribution de l’é nergie é lectromagné tique dans toute la structure (avec et sans lentille, à
2 et 3 dimensions car de nombreuses mé tallisations sont pré sentes dans le pixel)
Rendement é nergé tique au niveau de la zone photosensible (photodiode)
Ré ponse spectrale du pixel
Ré ponse angulaire du pixel pour prendre en compte le positionnement du plan focal
derriè re une optique
La structure de lentille mé tallique plane choisie sera optimisé e en fonction des contraintes
associé es au capteur d’image. Afin de pouvoir procé der à une é tude paramé trique et pour obtenir
toutes les informations requises sur la structures, la mé thode FDTD a é té retenue pour la phase de
conception / modé lisation.
C’est le logiciel FDTD « Meep » qui a é té choisi pour simuler la propagation é lectromagné tique à
travers struc tures de pixels multicouches. Nous avons donc fait une premiè re demande de 6000h
pour l’anné e 2014 auprè s de CALMIP pour utiliser ce logiciel via le supercalculateur. Les premiers
ré sultats obtenus grâ ce à l’accè s au supercalculateur sont consigné s dans la suite de ce rapport.
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
Utilisation de CALMIP durant 2014
FORMATION A L’OUTIL FDTD
Une premiè re phase a é té consacré e pour se former au logiciel FDTD en lui-mê me, il s’agissait de
sa premiè re utilisation au laboratoire pour la simulation é lectromagné tique. Des structures de test
dont les ré ponses sont bien connues ont é té modé lisé es pour comprendre puis maitriser les
paramè tres gé omé triques, les proprié té s optiques des maté riaux utilisé s (modè les dispersifs) et la
source d’é clairement (position par rapport à la structure et à la PML) mais aussi comment
ré cupé rer diffé rents critè res de performance qui nous inté ressent : cartographie de composantes
é lectromagné tiques, inté gration de flux é nergé tique pour calculs de transmission notamment. Ces
ré sultats ont é té confronté s à ceux fournis par des mé thodes modales et une trè s bonne
adé quation a é té montré e.
MODELISATION 2D D’UN PIXEL DU CAPTEUR
Nous avons d’abord modé lisé 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 constitué e d’un « stack
optique » en silice contenant des rails en aluminium (interconnexions é lectriques) dé posé sur un
substrat en silicium. La photodiode de collection est supposé e localisé e à l’interface Silice /
Silicium. La structure est illuminé e par une onde plane monochromatique (λ = 1,064 µm)
polarisé e Transverse Magné tique (TM), en incidence normale. Des couches parfaitement
absorbantes entourent la structure modé lisé e pour considé rer un pixel seul et isolé .
On observe sur la cartographie de l’intensité du champ é lectrique qu’une partie de la lumiè re
incidente est ré flé chie et diffracté e par les mé tallisations en aluminium du stack optique. Ceci a
pour effet de ré duire la quantité de lumiè re 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’é nergie reçue à l’entré e de la photodiode et l’é nergie
incidente au pixel, devient alors trè s faible avec une valeur d’environ 20%.
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
Figure 1 : Schéma et cartographie de l’intensité du champ électrique d'un pixel CMOS sans lentille
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
MODELISATION 3D : PIXEL SEUL ET MATRICE DE PIXEL
Dans le souci d’approcher le plus possible la ré alité du comportement du pixel, nous avons
é galement procé dé à la modé lisation complè te en trois dimensions du pixel (Figure 2). Les
dimensions et le placement des « rails » mé talliques contenus dans le stack optique correspondent
scrupuleusement aux pixels d’un capteur CMOS dans lequel nous inté grerons dans le futur nos
structures plasmoniques.
Cette fois-ci, nous simulons la propagation é lectromagné tique avec des conditions aux limites
pé riodiques sur les cô té s du pixel, c’est-à -dire un pixel au sein d’une matrice de pixel. D’ailleurs,
nous avons é galement modé lisé une matrice de 3x3 pixels (Figure 3) pour observer l’influence
entre pixels. Les calculs de transmissions à l’entré e de la photodiode sont d’environ 40% si on
intè gre sur la surface totale de la photodiode, et cette transmission chute à environ 5% sur une
surface de 1µm² au centre de la photodiode.
Figure 2 Différentes vues de la cartographie de l'intensité du champ électrique en 3 dimensions d'un pixel
CMOS sans lentille
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
Figure 3 Différentes vues de la cartographie de l'intensité du champ électrique en 3 dimensions d'une matrice
de pixels CMOS sans lentille
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
MODELISATION D’UN PIXEL AVEC UNE LENTILLE PLASMONIQUE INTEGREE
Nous avons ensuite inté gré à ce mê me pixel une lentille plasmonique (Figure 4) qui consiste en un
film d’or dans lequel sont gravé s des fentes nanomé triques (dont la largeur varie de 10nm à
150nm). La largeur des fentes ainsi que leur agencement sont calculé es de telle sorte à gé né rer la
courbure de phase né cessaire à une focalisation à l’interface Silice / silicium. L’é paisseur de la
lentille est de 800nm et sa largeur est identique à celle du pixel. Les conditions d’é clairement sont
identiques à la pré cé dente simulation.
Figure 4 : Schéma et cartographie de l’intensité du champ électrique d'une lentille plasmonique intégrée dans
un pixel d'un capteur CMOS
On observe que la lentille joue parfaitement son rô le de concentrateur de lumiè re en parvenant à
produire un front d’onde courbé qui va focaliser juste à l’entré e de la photodiode. Ainsi, la
transmission augmente de façon spectaculaire jusqu’à environ 58%.
A ce jour, seule une lentille plasmonique circulaire a é té modé lisé e en trois dimensions (Figure 5).
Mê me si son design n’est pas encore optimisé (la focalisation a lieu avant plus haut que l’entré e de
la photodiode), on remarque bien l’effet de la focalisation et sur les capacité s extraordinaires de la
lentille pour amé liorer les performances du pixel.
La lentille plasmonique pré sente un fort rapport d’aspect entre largeur des fentes et é paisseur du
mé tal (10nm << 800nm). Ce type de structure est alors trè s difficile à inté grer dans un process de
fabrication CMOS.
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
Figure 5 Différentes vues de la cartographie de l'intensité du champ électrique en 3 dimensions d'une lentille
plasmonique intégré dans un pixel.
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UTILISATION DE CALMIP DURANT 2014
MODELISATION 2D D’UN PIXEL AVEC UNE LENTILLE D’HUYGENS INTEGRE
Un autre type de lentille composé de maté riaux mé talliques et dié lectrique, la lentille d’Huygens, a
é té simulé e lors de son inté gration dans un pixel. On observe que son design n’est pas encore
optimisé car les mé tallisations empê chent la lumiè re de se propager jusqu’à la photodiode. Malgré
cette non-optimisation, la transmission est de 33%, elle donc supé rieure à celle du pixel sans
lentille.
La largeur du trou central est d’environ 3 µm, et les fentes additionnelles ont une largeur
supé rieure à 400nm. L’é paisseur de la lentille est de 200nm. Ces dimensions permettent de
fabriquer cette lentille et de l’inté grer dans un pixel en utilisant des é quipements pré sents dans le
process de fabrication CMOS.
Figure 6 : Schéma et cartographie de l’intensité du champ électrique d'une lentille d’Huygens intégrée dans un
pixel d'un capteur CMOS
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PREVISIONS POUR L’UTILISATION DE CALMIP EN 2015
Pré visions pour l’utilisation de CALMIP en 2015
En ré sumé , les 6000h qui ont é té accordé es par CALMIP sur ce projet ont permis de le faire
avancer à grand pas notamment pour la validation de l’outil de modé lisation et la paramé trisation
2D et 3D des structures exactes des pixels avec et sans lentille. Les premiers ré sultats obtenus sont
ainsi trè s encourageants.
L’optimisation du design de la lentille d’Huygens est un point crucial pour cette anné e 2015. Elle
est ré alisable sur le plan technologique et ses performances ont besoin d’ê tre dé terminé es dans le
contexte d’un pixel 3D et en fonction de la longueur d’onde et de l’angle d’incidence. Ainsi, Un
grand nombre de simulations sera né cessaire pour dé finir le meilleur design en deux dimensions,
et surtout en trois dimensions. De plus, il est envisageable de combiner plusieurs lentilles de façon
à mieux canaliser l’é nergie é lectromagné tique au sein du pixel, ce qui implique é galement d’autres
heures de calculs utilisé es.
D’autres paramè tres qui influent sur la performance de la lentille sont à explorer. Comment se
comporte-t-elle lorsque l’é clairement est polychromatique ? Est-elle toujours aussi performante
en fonction de l’angle d’incidence de la lumiè re ? Seules des simulations é lectromagné tiques
ré pondront à cette question.
Nous demandons ainsi 25000 heures CPU auprè s de CALMIP. Voici ci-dessous un tableau
ré capitulatif qui justifie cette demande :
Duré e moyenne d’un
job (heures CPU)
Paramè tres à explorer
Structures modé lisé es
Cartographie 2D
Test angle d’incidence
Test Lumiè re
polychromatique
Pixel 2D
Pixel 3D
Matrice de pixel 3D
Lentille plasmonique 2D
Lentille plasmonique 3D
Lentille d’Huygens 2D
Lentille d’Huygens 3D
Autre design 2D
Autre design 3D
Cartographie 3D
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Transmission 2D
Transmission 3D
Angle d’incidence 2D (Cartographie)
Angle d’incidence 3D (Cartographie)
Lumiè re polychromatique 2D (Cartographie)
Lumiè re polychromatique 3D (Cartographie)
Angle d’incidence 2D (Transmission)
Angle d’incidence 3D (Transmission)
Lumiè re polychromatique 2D (Transmission)
Lumiè re polychromatique 3D (Transmission)
PRODUCTION SCIENTIFIQUE :
Production scientifique :
-
T. Lopez, S. Massenot, P. Magnan et J.-L. Pelouard « Capteurs d'images plasmoniques pour la détection
proche infrarouge à 1.064 », Atelier ``Nano-maté riaux, nano-objets pour la dé tection et les capteurs'',
Nailloux, Dé cembre 2013.
-
CALMIP: T. Lopez, S. Massenot, M. Estribeau P. Magnan et J.-L. Pelouard « Design of plasmonic lenses
dedicated to Near-Infrared detection (1.064 µm) with CMOS image sensors», Workshop “Image
sensors and Optical interfaces”, CNES, Toulouse, Novembre 2014.
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