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12 nov
12/11/2019 14:00

Sciences & Société

Soutenance de thèse : Tulio CHAVES DE ALBUQUERQUE

Integration of Single Photon Avalanche Diodes in Fully Depleted Silicon-on-Insulator Technology

Doctorant : Tulio CHAVES DE ALBUQUERQUE

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : ED160 Electronique Electrotechnique et Automatique

Ce travail a pour objectif la conception, la simulation, la modélisation et la caractérisation électrique de diodes à avalanche à photon unique (Single Photon Avalanche Diodes - SPAD) intégrées dans une technologie CMOS Fully Depleted Silicon on Insulator - FDSOI. Les SPAD sont des diodes (jonctions PN) polarisées en inverse au-delà de la tension de claquage, fonctionnant dans le mode Geiger. Grace à leur haute sensibilité et rapidité, les SPAD sont utiles pour plusieurs applications, telles que les mesures de temps de vol (Time of Flight - ToF), l’imagerie médicale (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy - FLIM), ainsi que la détection de particules chargées, dans le domaine de la physique de haute énergie. L’intégration de SPAD dans une technologie CMOS FDSOI permet d’obtenir une intégration 3D monolithique intrinsèque avec la diode sous l’oxyde enterré, et l’électronique associée dans le film silicium, en optimisant ainsi le facteur de remplissage. Afin d’analyser le comportement des SPAD FDSOI, plusieurs cellules ont été conçues, respectant les principales règles de dessin imposées par la fonderie, mais présentant des variantes structurelles telles que la zone d'intégration, la géométrie, la distance de garde et le circuit d’étouffement. Des simulations TCAD et des calculs analytiques ont été effectués afin d'estimer les principales figures du mérite de SPAD. Plusieurs modèles d'avalanche et de génération de porteurs ont été étudiés pour une meilleure adaptation du modèle simulé aux dispositifs fabriqués. Des caractérisations électriques ont été réalisées pour estimer des paramètres importants tels que la tension de claquage, le taux de comptage dans l'obscurité (DCR) et la réponse en l'électroluminescence. Bien que les résultats obtenus restent inférieurs par rapport à l'état de l’art, la faisabilité d’intégration de SPAD dans une technologie FDSOI a été démontrée comme preuve de concept, mais des améliorations sont nécessaires et certaines pistes sont proposées.

Informations complémentaires

  • Amphithéâtre Emilie du Châtelet - Bibliothèque Marie Curie - INSA Lyon

Mots clés