Développement et intégration de structures en technologie CMOS pour le filtrage multispectral

Development and integration of CMOS compatible structures for multispectral filtering

• Auteur / Autrice : Sandrine Villenave
• Direction : Henri Benisty
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Nanophotonique - Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives - Laboratoire d'Electronique et de Technologie de l'Information / CEA-LETI - STMicroélectronics
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : STMicroelectronics
• Jury : Président / Présidente : Éric Cassan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Fehrembach, Antoine Monmayrant, Jean-Emmanuel Broquin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Laure Fehrembach, Antoine Monmayrant

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs d'images CMOS

Réseaux de diffraction

Spectres infrarouges

Filtrage du signal

Métasurfaces

Spectroscopie

Mots clés libres

Filtrage optique

Vis-Nir

Réseau résonant

Cis

Métasurface

Optical filtering

Vis-Nir

Resonant grating

Cis

Metasurface

Résumé

Les capteurs optiques sont de plus en plus présents dans des domaines tels que la santé, l'environnement et l'alimentation. Les spectromètres y tiennent une place de choix, permettant de qualifier et quantifier de nombreuses espèces chimiques. Un spectromètre intégré à un capteur CMOS en une solution extrêmement portative serait alors un outil d'analyse accessible à tous, via le smartphone qui est un objet de haute technologie répandu mondialement. Dans le but de réaliser un tel spectromètre, nous avons étudié le fonctionnement des filtres à résonance de modes guidés (RWGs), en mettant l'accent sur les paramètres utiles à la conception des filtres pour des applications multispectrales, tout en gardant à l'esprit l'exigence de l'intégration sur capteur CMOS. Nous avons ensuite détaillé la conception de ces filtres par simulation (RCWA/FMM), leur fabrication sur la plateforme 300 mm de ST Crolles (fonderie CMOS), et nous avons montré et analysé des résultats expérimentaux encourageants, mesurés au CEA Leti. Puis nous nous sommes penchés sur les inconvénients des RWGs, et nous avons proposé quelques structures proches des RWGs qui pallient certains de ces inconvénients tout en gardant la fonctionnalité d'une accordabilité via la géométrie planaire d'un réseau. Enfin, nous avons réalisé une première mise en application de ces filtres, en deux étapes distinctes. Ces résultats encourageants ouvrent la porte à de nombreux développement et améliorations, portant soit sur des structures filtrantes, soit sur des post-traitements plus poussés des signaux tels que filtrés par les structures existantes.

Optical sensors are increasingly present in fields such as health, environment, and food. Spectrometers hold a special place, allowing the qualification and quantification of many chemical species. A spectrometer integrated onto a CMOS sensor in an extremely portable solution would then be an analysis tool accessible to everyone, via the smartphone which is a highly advanced object widely spread throughout the world. To create such a spectrometer, we studied guided mode resonance filters (RWGs), focusing on the parameters useful to design filters for multispectral applications, while keeping in mind the requirement to integrate them on CMOS sensors. We then detailed the design of these filters through simulation (RCWA/FMM), their fabrication on the 300 mm platform of ST Crolles (CMOS foundry), and we showed and analyzed encouraging experimental results, measured at CEA Leti. Then we looked at the drawbacks of RWGs, and we proposed structures close to RWGs that overcome some of these drawbacks while maintaining the functionality of tunability via the planar geometry of a grating. Finally, we made a first application of these filters, in two distinguished steps. These encouraging results open the door to developments and improvements, either on filtering structures or on more advanced post-processing of signals such as those filtered by existing structures.