Capteur d'images CMOS à sensibilité améliorée dans le proche infrarouge par des nanostructures optiques

CMOS image sensors with near-infrared detection enhancement using optical nanostructures

• Auteur / Autrice : Elie Cobo
• Direction : Jean-Luc Pelouard, Sébastien Massenot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et Systèmes Optoélectronique
• Date : Soutenance le 25/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Schanen Duport
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Pelouard, Sébastien Massenot, Fabien Mandorlo, Gilles Lérondel, Gabriel Mugny
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabien Mandorlo, Gilles Lérondel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de diffraction

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Optique quantique

Capteurs d'images CMOS

Imagerie infrarouge

Mots clés libres

Infrarouge

Nano-Optique

Cmos

Réseau

Diffraction

Qualité d'image

Cmos

Nano-Optics

Infrared

Grating

Diffraction

Image quality

Résumé

Les capteurs d’images occupent presque la moitié du marché des composants optoélectroniques avec une taille de $19.1 milliards. Leurs performances et leur faible coût de production en font la technologie majoritaire pour l’imagerie dans le visible (400 nm –700 nm). D’un autre côté, l’imagerie dans le proche infrarouge (700 nm – 1400 nm) est aussi en pleine croissance. Appliquée dans le domaine médical elle permet la visualisation d’agent fluorescent in vivo, en temps réelle et de façon non invasive pour aider à la chirurgie, à l’étude de maladies et au diagnostic. L’imagerie médicale proche infrarouge représente $216 million de dollars en 2021 avec une projection de $405 million de dollars en 2028. Mais en dehors du médical, les applications du proche infrarouge sont aussi nombreuses : Le suivi du regard, la reconnaissance gestuelle et faciale, une meilleure visibilité dans la nuit, sont autant de fonctionnalités que l’on peut mettre à profit pour une vision assistée par ordinateur plus performante, si bien qu’il est prévu une augmentation annuelle du marché des détecteurs proche infrarouge de presque 10% de 2020 et 2025. Malheureusement, la croissance conjointe du marché des capteurs d’images CMOS et du marché de l’imagerie dans le proche infrarouge se heurte à une problématique de taille : les imageurs fabriqués par le procédé CMOS sont conçus à partir de silicium qui est certes un très bon candidat pour l’absorption visible mais beaucoup moins pour les longueurs d’onde dépassant les 800 nm. En effet, si seulement quelques centaines de nanomètres de silicium suffisent pour absorber la lumière à 400 nm, il faut compter des dizaines voire des centaines de micromètres pour les longueurs d’onde supérieures à 800 nm. Pour faire face à cette problématique, les fondeurs ont commencé à proposer des capteurs avec une zone sensible plus profonde, passant par exemple de 3 µm d’épaisseur optimisée pour le visible à 12 µm. Si ce procédé permet e ffectivement une amélioration de la sensibilité, il détériore par la même occasion la résolution spatiale de l’imageur induite par l’augmentation de la diaphonie. D’autres solutions mettant en jeu des pièges à photons notamment par la texturation du silicium sont récemment investiguées mais nécessitent l’ajout de nouvelles étapes de fabrication au procédé standard. Nous avons démontré dans ces travaux, par simulations opto-électriques, la conception d’un réseau diffractant directement à partir de la couche de fabrication de la grille des transistors en poly-silicium, déjà présente dans la fabrication standard d’un capteur d’image CMOS. Ce réseau a la double fonction d’augmenter la longueur de propagation effective dans le silicium et de couche antireflet. Cette implémentation d’un réseau dans le capteur d’image avec l’ajout de tranchées d’isolation profondes pour confiner à l’intérieur du pixel la lumière diffractée, a permis une amélioration relative de l’efficacité quantique exte rne de 35.5% à une longueur d’onde de 850 nm ainsi qu’une amélioration de la diaphonie de 6.9%. Cette architecture avec une épaisseur active de 3 µm permet d’obtenir une amélioration équivalente à celle d’une augmentation de la couche active par un facteur 3 sans détérioration de la diaphonie qui vient avec. Pour aller plus loin, nous avons étudié l’intégration de ce réseau conçu à partir de la couche des grilles de transistors à un capteur d’images CMOS à illumination par la face arrière. Ainsi en utilisant le réseau non plus en transmission mais en réflexion, nous avons montré une significative amélioration de l’absorption dans le proche infrarouge sur une large bande spectrale (de 650 nm à 1100 nm). En effet, l’absorption d’un capteur d’image avec miroir en face arrière conçu à partir d’un réseau en poly-silicium et de la première couche de métallisation en aluminium est plus que deux fois supérieure à l’absorption d’un capteur d’images standard à une longueur d’onde de 850 nm.

Image sensors occupy nearly half of the optoelectronic components market with a size of $19.1 billion. Their performance and the low production cost make them the leading technology for imaging in the visible range (400 nm -700 nm). On the other hand, near-infrared imaging (700 nm - 1400 nm) is also growing rapidly. Applied in the medical field, it allows the visualization of fluorescent agents in vivo, in real time and in a non-invasive way to assist in surgery, the study of diseases and diagnosis. Near-infrared medical imaging will represent $216 million in 2021 with a projection of $405 million in 2028. But the medical field is not the only application : eye tracking, gesture and facial recognition, and improved visibility at night are all features that can be leveraged for better computer vision, so the NIR sensor market is expected to grow by almost 10% annually from 2020 to 2025. Unfortunately, to take advantage of the growth of the CMOS image sensor market for near-infrared imaging faces a major problem: the imagers manufactured by the CMOS process are designed from silicon, which is certainly a very good candidate for visible absorption, but much less so for wavelengths above 800 nm. Indeed, if only a few hundred nanometers of silicon are enough to absorb light at 400 nm, it is necessary to count tens or even hundreds of micrometers for the wavelengths higher than 800 nm. To address this issue, foundries have begun to offer sensors with a deeper sensitive area, for example from 3 µm thickness optimized for the visible to 12 µm. If this process allows an improvement of the sensitivity, it deteriorates at the same time the spatial resolution of the imager induced by the increase of the crosstalk. Other solutions involving photon traps, in particular by texturing silicon, are recently investigated but require the addition of new manufacturing steps to the standard process. In this work , we have demonstrated, by opto-electrical si mulations, the design of a diffraction grating integrated from the layer of fabrication of the poly-silicon transistors gate, layer that is already present in the standard manufacturing of a CMOS image sensor. This grating has the dual function of increasing the effective propagation length in the silicon and of acting as an antireflection layer. This implementation of a grating in the image sensor with the addition of deep isolation trenches to confine the diffracted light inside the pixel, allowed a relative improvement of the external quantum efficiency of 35.5% at a wavelength of 850 nm as well as an improvement of the crosstalk of 6.9%. This architecture with an active thickness of 3 µm allows to obtain an improvement equivalent to that of an increase of the active layer by a factor of 3 without deteriorating the crosstalk that comes with this epitaxial enlargement. To go further, we studied the integration of this grating designed from the transistor gate layer to a CMOS image sensor with backside illumination. Thus, by using the grating not in transmission but in reflection, we have shown a significant improvement of the absorption in the near infrared over a wide spectral band (from 650 nm to 1100 nm). Indeed, the absorption of an image sensor with a mirror at the back face designed from a poly-silicon grating and the first aluminum metallization layer is more than twice the absorption of a standard image sensor at a wavelength of 850 nm.