Imageur CMOS ultra haute sensibilité

Ultra high sensitivity C.MOS Imagers design

• Auteur / Autrice : Rabih Kazma
• Direction : Olivier Rossetto
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nano electronique et nano technologies
• Date : Soutenance le 01/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (Grenoble ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Dominique Ginhac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilles Sicard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Wilfried Patrick Uhring, Francis Calmon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photonique

MOS (électronique)

Capteurs d'images CMOS

Mots clés libres

Imageur

Cmos

Circuit analogique

Imagers

C.mos

Analog design

Résumé

Il existe une multitude d’applications où la détection de très faibles niveaux lumineux (jusqu’à quelques photons, voir le photon unique) est une partie clé de la mesure dans des domaines tels que l’imagerie médicale, l’astrophysique. Jusqu’à un passé récent, le seul composant permettant de détecter des niveaux aussi bas que le photon unique était le photomultiplicateur. Ce composant est volumineux, fragile, nécessite l’utilisation de hautes tensions et possède une résolution spatiale faible. Depuis quelques années, la faisabilité de photodétecteurs à photons uniques connus sous l’acronyme de SPAD (pour Single-Photon Avalanche Diode) dans un procédé de fabrication CMOS standard a été démontrée. Ces avancées permettent de réaliser des imageurs de haute résolution et grande sensibilité. Le travail dans cette thèse démarre par la compréhension du comportement de l’élément photosensible (le SPAD) pour finir par la conception du circuit de lecture associé au SPAD. Le deuxième axe de travail proposé dans cette thèse est un modèle haut niveau du SPAD suivi par son circuit de lecture. Le troisième axe propose une nouvelle architecture de lecture qui vise l’amélioration de la dynamique globale. Finalement, dans le dernier chapitre on propose une réalisation électrique CMOS du circuit à dynamique élevée.

A number of vision applications (medical imaging, astrophysics, …) require the detection of very low ligh levels (up to a few photons, or the single photon). Until recently, only one component can detect levels as low as the single photon: the photomultiplier. In recent years, it has been demonstrated the feasibility of designing avalanche diode using CMOS standard process. These advances allow to achieve high-resolution imaging and high sen-sitivity. The work in this thesis starts by the study of the behavior of the photon sensing element (SPAD) and finish by the design of the radout circuit of single photon avalanche photodiode. The second point of the work proposed in this thesis is a high-level model of SPAD followed by its readout circuit based on an anolg counter. The third line offers a novel readout method to enhance the readout dynamic range of pixel based on single photon avalanche photodiode. Finaly, A new readout circuit is proposed for SPAD based pixel. This readout circuit which is inspired from the simulated architectures will allow us to achieve our analog counter with the best performance.