Etude de l'amélioration des performances optiques des capteurs d'images CMOS dans le proche infrarouge

Improving the optical performances of CMOS image sensors in the Near Infrared

• Auteur / Autrice : Félix Bardonnet
• Direction : Henri Benisty, Axel Crocherie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - STMicroelectronics (Crolles, Isère, France)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire Charles Fabry / Nanophotonique - Laboratoire de Nanophotonique et Métrologie
• Jury : Président / Présidente : Xavier Checoury
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Bonod, Olivier Durand, Sébastien Massenot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nicolas Bonod, Olivier Durand

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Fonction de transfert optique

Photoabsorption

Capteurs d'images CMOS

Mesures optiques

Mots clés libres

Simulation optique

Caractérisation

Capteurs d'images CMOS

Rendement quantique

Mtf

Proche infrarouge

Optical Simulation

Characterization

CMOS image sensors

Quantum Efficiency

Mtf

Near Infrared

Résumé

Pour répondre à la demande de nombreuses nouvelles applications comme la reconnaissance faciale, la réalité virtuelle ou encore les LIDAR (de l'anglais Light Detection and Ranging), de nouveaux capteurs d'images CMOS (de l'anglais Complementary Metal Oxide Semiconductor) opérant dans le proche infrarouge ont vu le jour ces dernières années. La principale raison de travailler dans ce domaine de longueur d'onde est que cette lumière est invisible à l'œil humain, notamment pour des questions de sécurité. Le problème majeur qui en émerge est la faible absorption du Silicium dans le proche infrarouge, qui est l'élément central de photo-détection dans ces capteurs, rendant leurs performances optiques médiocres et limitant ainsi les différentes applications. Le travail de cette thèse a donc pour but d'améliorer les performances optiques des capteurs d'images CMOS dans le proche infrarouge, et plus précisément à la longueur d'onde de 940 nm qui est utilisée pour la plupart des applications énumérées précédemment. Nous nous sommes intéressés aux deux principaux paramètres optiques de ces capteurs : le rendement quantique (QE de l'anglais Quantum Efficiency) et le cross-talk qui est fortement lié à la fonction de transfert de modulation du capteur (MTF de l'anglais Modulation Transfer Function). Cette thèse s'est tout d'abord inscrite dans la conception d'une nouvelle brique technologique au sein de l'entreprise STMicroelectronics, permettant d'augmenter considérablement le QE de nos capteurs dans le proche infrarouge, appelée structuration. Il s'agit en fait de graver des structures dans le Silicium afin que la lumière qui entre dans le pixel soit diffractée dans la photodiode, augmentant le chemin optique dans celle-ci et donc l'absorption. A l'aide d'un outil de simulation FDTD (de l'anglais Finite Difference Time Domain), nous avons pu constater l'impact de ces structures sur nos différents paramètres optiques. Ces résultats simulés ont ensuite été confirmés grâce à plusieurs mesures. Bien qu'extrêmement bénéfique pour le QE, cette solution dégrade le cross-talk ou la MTF, laissant apparaître un compromis entre ces deux paramètres. Ensuite, ne pouvant à l'origine pas prédire la MTF de nos capteurs, nous avons décidé de travailler sur une nouvelle méthodologie de simulation de ce paramètre optique en se basant sur la technique utilisée pour les mesures : la méthode du bord incliné. Nous sommes donc maintenant en capacité de prédire les tendances de ce paramètre, ce qui nous permet d'évaluer en amont le compromis entre QE et MTF pour les différentes structures gravées sur nos pixels. Pour finir, des solutions de confinement de la lumière dans le pixel ont été étudiées théoriquement (seulement en simulation) afin d'améliorer ces deux paramètres simultanément, donnant ainsi quelques perspectives pour l'avenir des capteurs d'images dans le proche infrarouge.

To answer to the huge demand on numerous new applications like Face Recognition, Virtual Reality or LIDARs (Light Detection and Ranging), new CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors working in the Near Infrared range (NIR) have been designed these past few years. The main reason for working in this range is to have an invisible light for the human eye, especially for security issues. The biggest problem encountered then is the low absorption of Silicon in the NIR, which is the central piece of such a device in terms of photo-detection. It finally leads to poor optical performances and limits their use for these different applications. Thus, the goal of this PhD thesis is to improve CMOS image sensors optical performances in the NIR, and more precisely at 940 nm which is commonly used in these kinds of applications. We focused our efforts on the two main optical parameters of these sensors: the Quantum Efficiency (QE) and the cross-talk or its linked parameter called the Modulation Transfer Function (MTF). We first dedicated our work to a brand-new technological implementation inside STMicroelectronics, which strongly contributes to the increasing of the QE of our sensors in the NIR: it is called structuration. This technology consists of etching structures in the Silicon in order to diffract the incoming light inside the photodiode, so that the optical path inside the photodiode and therefore the absorption both increases. With the use of an FDTD (Finite Difference Time Domain) solver, we managed to determine the impact of such structures on our different optical parameters. These simulated results were then confirmed by several measurements. In spite of the incredible gain brought by this solution on QE, it strongly degrades the cross-talk or the MTF in the meantime. This highlights the trade-off that exists between these two parameters with such a solution. After that, because of the lack of an existing solution to simulate MTF, we decided to work on a new simulation methodology on this optical parameter based on the characterization methodology called the Slanted-Edge method. We are now able to predict the different tendencies of this parameter: this allows us to evaluate beforehand the trade-off between QE and MTF for the different diffracting structures used in our pixels. Finally, some solutions used to confine the light in the pixel were theoretically (only simulations) studied in order to improve both the parameters simultaneously. This gives some outlooks for the future of CMOS image sensors in the NIR.