Études de nouvelles architectures de composants intégrés sensibles à la lumière en filière FDSOI pour les applications de type imageur

New FDSOI-based integrated circuit architectures sensitive to light for imaging applications

• Auteur / Autrice : Lina Kadura
• Direction : Alexei Tchelnokov
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanoélectronique et nanotechnologie
• Date : Soutenance le 07/06/2019
• 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 : Observatoire des micro et nanotechnologies (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Francis Calmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Albert J. P. Theuwissen, Fréderic Lalanne, Olivier Rozeau, Laurent Grenouillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Magnan, Yang Ni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Couplage, Théorie du

Dispositifs optoélectroniques

Réseaux de capteurs (technologie)

FD-SOI (transistors)

Mots clés libres

FDPix

Technologie UTBB FDSOI

Couplage capacitif

Livs

Capteur d'image CMOS

Capteur integré

FDPix

UTBB FDSOI technology

Capacitive coupling

Livs

Cis

Embedded light sensor

Résumé

Un nouveau type de capteur de lumière appelé FDPix, composé d'un transistor (1T) par pixel, est étudié. Il consiste à co-intégrer un transistor FDSOI (silicium sur isolant entièrement déserté) avec une photodiode pour permettre la détection de la lumière par polarisation arrière optique. Les charges photogénérées dans la diode induisent un décalage de tension de seuil (VT) sous illumination, appelé LIVS. Le LIVS est dû au couplage capacitif entre les grilles avant et arrière du transistor FDSOI et représente la métrique de performance clé à extraire et à optimiser. Dans ce travail, le comportement du dispositif en régimes continu et transitoire a été étudié et modélisé de manière approfondie. Bien qu’ils ne se limitent pas à ce nœud, tous les dispositifs testés ont été fabriqués en technologie FDSOI 28nm. Au moyen de simulations TCAD et de caractérisations électro-optiques, les paramètres du dispositif, tels que le facteur de couplage (BF) et le profil de la jonction, ont été optimisés pour améliorer ses performances. Il a été constaté que le FDPix est en fait un capteur à double réponse. Il présente une réponse linéaire aux intensités lumineuses faible qui se traduit par une sensibilité élevée, ainsi qu'une réponse logarithmique aux intensités élevées assurant une grande plage dynamique (DR) supérieure à 120 dB. Un modèle dédié a été développé et implémenté en environnement SPICE pour la conception de circuits. Ainsi, des nouveaux pixels, analogiques et numériques, ont été conçus, fabriqués et testés. Les résultats obtenus et présentés dans ce travail montrent le réel potentiel d’implémentation du FDPix dans des capteurs de lumière intelligents, ultra compacts, et de faible consommation, destinés aux applications More-than-Moore

A new type of light sensor called FDPix, composed of one transistor (1T) per pixel is investigated. It consists in co-integrating an FDSOI (Fully-Depleted Silicon-On-Insulator) transistor with a photodiode to enable light sensing through optical back biasing. The absorption of photons and resulting photogenerated charges in the diode will result in a Light Induced VT Shift (LIVS). The LIVS is due to a capacitive coupling between the front and back gate of the FDSOI transistor and represents the key performance metric to be extracted and optimized. In this work, the device behavior in dc and transient domains was thoroughly investigated and modeled. Although not limited to this node, all the devices tested were fabricated using 28nm node FDSOI technology. By means of TCAD simulations and opto-electrical characterization, the device parameters such as Body Factor (BF) and junction profile were optimized to improve its performance. It was found that the FDPix is in fact a dual response sensor. It exhibits a linear response at low light intensity which results in high sensitivity, and a logarithmic response at higher intensities that ensures a high dynamic range (DR) of more than 120dB. The dedicated developed model is implemented in SPICE environment for circuit design. New pixel circuit in analog and digital domain, based on the FDPix were designed, fabricated, and tested. The results obtained and presented in this work, shows the potential of using the FDPix sensor for smart, highly embedded, low power image sensors for More-than-Moore applications.