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 :
Mél. :
ISAE-Supaero, Toulouse
[email protected]
philippe.martin-
[email protected]
[email protected]
Encadrement : Pierre MAGNAN et Philippe MARTIN-
GONTHIER (ISAE), Cédric VIRMONTOIS (CNES)
Durée : 3 ans
Bourse : 2000€ brut par mois (base 2014)
Date de démarrage : octobre 2015
DESCRIPTION DU SUJET DE THESE
Réf : 2015-059
Domaine :
Titre :
Capteurs d’image intégrés, micro/nanoélectronique, physique des dispositifs
semi-conducteurs, circuits intégrés CMOS.
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.