Study of the noise aging mechanisms in single-photon avalanche photodiode for time-of-flight imaging (Etude des mécanismes de vieillissement du bruit de photodiode à avalanche à photon unique pour l’imagerie par temps de vol)

Doctorant : Mathieu SICRE

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Les diodes à avalanche à photon unique (SPAD) sont utilisées pour les capteurs à temps de vol afin de déterminer la distance d'une cible. Cependant, ils sont sujets à des déclenchements parasites par des porteurs de charge générés de manière parasitaire, quantifiés en tant que taux de comptage dans l’obscurité (DCR), ce qui peut compromettre la précision de la distance mesurée. Pour résoudre ce problème, une méthodologie de simulation a été mise en place pour évaluer le DCR. Cela est réalisé en simulant la probabilité de claquage d'avalanche, intégrée avec le taux de génération de porteurs de charge à partir de défauts. Cette méthodologie permet d'identifier les sources potentielles de DCR avant stress. Pour garantir l'intégrité des mesures de distance sur une longue période, il est nécessaire de prédire le niveau de DCR dans diverses conditions d'exploitation. La méthodologie de simulation susmentionnée est utilisée pour identifier les sources potentielles de DCR après stress. Pour un modèle cinétique précis de dégradation de type porteurs chauds (HCD), il est essentiel de considérer non seulement la distribution d'énergie des porteurs, mais également la distribution de l'énergie de dissociation de la liaison Si-H à l'interface Si/SiO2. La probabilité de dissociation d'ionisation d'impact est utilisée pour modéliser le processus de création de défauts, qui présente une dépendance temporelle sous-linéaire en raison de l'épuisement progressif des précurseurs de défauts. Une mesure précise de la distance nécessite de distinguer le signal du bruit ambiant et du plancher de DCR. L'impact de DCR peut être estimé en considérant la réflectance de la cible et les conditions d'éclairage ambiant. En résumé, ce travail utilise une méthodologie de caractérisation et de simulation approfondie pour prédire le DCR dans les dispositifs de type SPAD le long de sa durée de vie, permettant ainsi d'évaluer son impact sur les mesures de distance.

Nouvelle architecture de SPAD (Single-Photon Avalanche Diode) intégrée dans une technologie 3D avancée

Doctorant : Antonin ZIMMER

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Ces travaux portent sur le développement de nouvelles architectures de SPAD (Single- Photon Avalanche Diode), un type de photodétecteur utilisé notamment pour faire de la mesure de distance par temps de vol en raison de sa bonne résolution temporelle. L’objectif de la thèse est de réduire les dimensions spatiales de la SPAD qui est constituée d'une jonction PN implémentée dans un volume de matériau semiconducteur et polarisée en inverse au-delà de la tension de claquage. Dans ce but, les travaux présentés introduisent une nouvelle architecture de SPAD basée sur le concept de
« focalisation des charges », nommée SPAD sphérique. Ce travail de thèse est composé de trois volets : (1) la présentation de simulations TCAD dont le but est d’étudier les caractéristiques du comportement de la SPAD sphérique par la modélisation de ses critères de performance, (2) la conception de prototypes intégrés dans une technologie CMOS 3D et (3) la caractérisation électro-optique de l’architecture proposée afin de valider les résultats de simulations et d’évaluer les performances réelles des prototypes. Les travaux réalisés ont révélé les limites de la simulation TCAD en 2D et donc la nécessité de développer de nouvelles méthodologies (3D par exemple). Malgré la complexité du procédé technologique employé et les contraintes du contexte industriel, des prototypes fonctionnels ont été réalisés et les résultats des mesures effectuées sur ces derniers montrent le potentiel de l’architecture proposée pour atteindre des performances satisfaisantes au pas de pixel proche de l’état de l’art.

« Amélioration de l'efficacité de détection dans le proche infrarouge de photo-détecteurs de type SPAD intégrés dans une technologie CMOS FDSOI »

Doctorant : Shaochen GAO

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique et Automatique)

Cette thèse porte sur la simulation et la caractérisation de diodes à avalanche à photon unique (SPAD) intégrées dans la technologie CMOS FDSOI (Fully-depleted Silicon-on-Insulator) 28nm de STMicroelectronics. L'objectif principal se concentre sur l'amélioration de la probabilité de détection de photons (PDP) de ces dernières. Elles sont composées d'une jonction p-Well/Deep-n-Well dans un substrat silicium. La jonction est insérée sous une fine couche d'oxyde enterrée (BOX) et l'électronique associée est placée dans une fine couche de silicium au-dessus du BOX. Cette implémentation permet de créer un pixel intrinsèquement 3D. Afin d'améliorer la PDP, l'approche de la nanostructuration des tranchées STI présentes nativement dans la zone active a été choisie pour l'illumination par la face avant. En nanostructurant ces tranchées STI, nous pouvons augmenter le taux de photogénération moyen dans les zones photosensibles et ainsi améliorer la PDP. Les simulations électro-optiques sur les diodes SPAD nanostructurées avec un rapport entre la surface de silicium et la surface totale d’un motif périodique variant de 15% à 25% et une période 0,48µm présentent un gain relatif moyen en PDP de 100% et 35% respectivement pour la gamme spectrale de 400-550nm et 550-700nm avec une tension d’excès de 1,5V. Ces résultats nous ont permis de proposer des architectures nanostructurées dans le un circuit de test. Les caractérisations ont montré un gain relatif moyen de 30-50% avec les valeurs absolues de PDP<2,5% pour des tensions d’excès relatives comprises entre 2-4% de la tension de claquage. Même si ces travaux n’ont pas permis d’atteindre les performances de photodétection de l’état de l’art, les résultats de caractérisations électro-optiques restent prometteurs, compte-tenu des contraintes lors des simulations et caractérisations (propriétés optiques des couches d’interconnexions non connues, faible degré de liberté sur le contrôle du procédé de fabrication, compromis entre le DCR (taux de comptage dans l’obscurité) et la PDP relié aux défauts d’interface apportés par les tranchées STI).

Fabrication et Caractérisation de Jonctions Tunnel Ferroélectriques à base de Hf0.5Zr0.5O2 pour les Applications Neuromorphiques

Doctorant : Benoit MANCHON

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Une conséquence de la séparation physique entre mémoire et calcul dans l’architecture de Von Neumann est le goulot d’étranglement de la mémoire. L’une des solutions consiste à s’inspirer du fonctionnement du cerveau dans lequel la mémoire (les synapses) est massivement intégrée au sein des unités de calcul (les neurones). Afin d’implémenter ce type d’architecture neuromorphique, il est nécessaire de développer des composants capables de reproduire les fonctions synaptiques. Les Jonctions Tunnel Ferroélectriques (FTJs) sont candidates au rôle de synapse artificielle grâce à leur capacité à moduler la quantité de courant qui les traverse en fonction de la direction de polarisation. La découverte de ferroélectricité dans l’oxyde d’hafnium dopé dès 2011, et plus tard dans le Hf0.5Zr0.5O2 (HZO), a permis de relancer la recherche sur les composants ferroélectriques en offrant une alternative aux pérovskites dont la température de cristallisation est limitante pour les procédés d’intégration industriels.
Dans ce travail, nous avons cherché à réaliser des FTJs à base de HZO pour la réalisation de synapses artificielles. Trois axes de recherche ont été définis : adapter un procédé préexistant de condensateurs ferroélectriques pour la fabrication de FTJ, développer un procédé pour intégrer les FTJs et réduire leurs dimensions, et mettre en place des protocoles de caractérisation et de programmation. Après avoir détaillé le contexte scientifique, les méthodes d’élaboration et de caractérisation sont présentées suivis des procédés de fabrication. Afin d’augmenter les courants tunnel des FTJs, nous avons cherché à réduire l’épaisseur de HZO sans dégrader ses propriétés ferroélectriques ; les solutions que nous avons exploré concernent l’insertion d ’une couche interfaciale, l’utilisation d’électrodes en tungstène et le dépôt par couches atomiques. Après avoir exposé l’étude des propriétés électrique des FTJ ainsi obtenues, nous présentons la caractérisation de l’imprint et de leur dynamique de retournement ainsi qu’un protocole de programmation multi- états.

Fabrication et caractérisation de couches minces de l’alliage Si(1- x)Ge(x) pour les détecteurs d’image infra-rouge

Doctorant : Alestair WILSON

Laboratoire INSA : INL
Ecole doctorale : EDA160 : Électronique, Électrotechnique, Automatique

Le silicium-germanium microcristallin (µc-SiGe:H) est un matériau à faible bande interdite dont les propriétés optiques et électriques dépendent fortement des conditions de dépôt. Dans ce travail, un capteur proche infrarouge (NIR) compatible avec les circuits intégrés (above-IC), basé sur le silicium-germanium microcristallin, est produit et caractérisé. La photodiode N-I-P est obtenue par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma à haute fréquence (RF-PECVD) à partir d'un mélange gazeux SiH4 + GeH4 + H2. Les mesures d'efficacité quantique révèlent qu'une fraction de Ge de 60 at.% est optimale pour une couche d'absorbeur intrinsèque µc-SiGe:H de 200 nm d'épaisseur. Au- delà de ce seuil, la dégradation des propriétés électriques prévaut sur le gain en absorption. L'application d'une polarisation inverse externe à la photodiode améliore encore l'efficacité quantique, en particulier dans la gamme spectrale de 800 à 1200 nm.

Étude et optimisation de capteurs d’oxyde d’azote (NO2) à base de couches sensible de dioxyde d'étain (SnO2) pour des applications aux mesures de la qualité de l’air.

Doctorant : Antonio ASSAF

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

Le besoin en capteurs de gaz évolue avec le développement des applications dans les domaines de l’industrie et de l’automobile. Pour répondre à cette demande, les capteurs à base d’oxyde métallique présentent des avantages uniques comme leur faible coût, une grande sensibilité et une intégration facile dans un système portable miniaturisé. Cependant, ces capteurs souffrent d'un coût énergétique élevé du fait de leurs hautes températures de fonctionnement. Dans ce contexte, l'objectif de ce travail est d'optimiser les capteurs à base de dioxyde d'étain afin d'abaisser leur température de fonctionnement. Le gaz cible dans cette étude est le dioxyde d'azote (NO2).
D’abord, nous avons optimisé la synthèse des films de SnO2 élaborés par pulvérisation réactive à radio fréquence de manière à obtenir les caractéristiques morphologiques, stœchiométriques et électriques les plus adaptées à la détection de gaz. Aussi, nous avons également optimisé le dépôt de couches de palladium à la surface des films de SnO2 par évaporation servant de catalyseurs.
Par la suite, nous avons simulé l'architecture du capteur (électrodes interdigitées + film sensible) à l'aide du logiciel SILVACO TCAD afin d’optimiser la géométrie du capteur. Des capteurs à base de SnO2 sans catalyseur ont ensuite été développés afin de sélectionner la géométrie optimale pour la détection du NO2. Le capteur retenu possède une température de fonctionnement optimale de 100°C pour la détection de NO2, avec une limite de détection de 250 ppb.
Finalement, des capteurs à base de SnO2 dopé au palladium ont été conçus. Ces capteurs montrent une bonne sensibilité au NO2 à très basse température (50°C). Ce résultat est l’aboutissement du projet dont l’objectif à terme vise la réalisation de capteurs de gaz à base oxyde métallique à faible consommation d’énergie.

Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface

Doctorant : Jérémy DUMOULIN

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Les cellules et modules photovoltaïques s’échauffent considérablement en conditions réelles de fonctionnement, ce qui est néfaste pour leur rendement de conversion et leur durée de vie. L'objectif de cette thèse est d'étudier une stratégie novatrice pour limiter leur échauffement : le refroidissement par échange radiatif avec le ciel. Cette approche consiste à optimiser l'échange radiatif dans les gammes spectrales où il n'y a pas de conversion photovoltaïque, notamment dans le moyen infrarouge pour profiter de la fenêtre de transparence qu'offre l’atmosphère dans la gamme 8-13 µm.
Grâce à des développements théoriques et numériques, le bénéfice théorique que le refroidissement radiatif avec le ciel peut apporter aux dispositifs PV a d'abord été quantifié, et le profil d'émissivité idéal pour les dispositifs photovoltaïques a été déterminé. Les pistes expérimentales prometteuses pour atteindre ce profil ont également été mises en lumière. A l'échelle d'un module en silicium cristallin, il apparaît que les voies les plus engageantes concernent l'ingénierie de l'interface air-verre. A cet égard, une structure optique basée sur une multicouche diélectrique est proposée et analysée. Pour guider d'éventuelles études futures, un ensemble d'outils numériques et méthodologiques pour trouver, concevoir, et quantifier le bénéfice des structures optiques a été développé.
En complément de ces résultats spécifiques au refroidissement radiatif avec le ciel, un modèle opto-électro-thermique est présenté. Ce dernier a pour but de prédire les performances en conditions réelles de fonctionnement directement à partir de la connaissance des matériaux et de l'architecture de la cellule. Nous montrons comment ce modèle d'un nouveau genre permet d'ouvrir de nouvelles voies pour continuer à augmenter la production d'électricité photovoltaïque via une ingénierie plus consciente des effets thermiques.

Un évènement organisé par trois laboratoires INSA Lyon à l'interface entre les matériaux et la thermique : le CETHIL, l'INL et Mateis.

L’objectif de ces journées est de faciliter et d’encourager les contacts et échanges d'information entre tous les membres de la Communauté des Matériaux et des Transferts radiatifs et de permettre aux acteurs de demain de se rencontrer, de se former et de partager leurs expériences mais aussi de se structurer pour répondre à des appels à projets. 

S'adressant à tous les membres de notre communauté (ingénieurs, enseignants, chercheurs, étudiants, industriels, laboratoires publics et privés, centres de recherches) le programme proposera : des exposés oraux et par affiches sur les résultats de recherche. Les industriels membres du club des partenaires CNRS : MERSEN, Solvay, TOTAL, ENGIE, CEA, CNES seront présents et fortement impliqués en particulier dans les ateliers thématiques ainsi que les industriels associés par le biais de laboratoires communs comme par exemple Saint Gobain et Wiessmann.

Au programme notamment 5 conférenciers invités de renom et des interventions orales « courtes » dédiées à la présentation des chercheurs, doctorants et masters et remise du "Prix du club des partenaires du GDR Tamarys", décerné à l'auteur d'un poster sur une activité de recherche transverse impliquant des matériaux et de la thermique radiative.

Dans les couloirs du BF2i, la blouse blanche est de mise. Derrière les portes vertes du bâtiment, des salles d’expérimentation hébergent des colonies de petits insectes verts, logés dans des boîtes cristal. Le puceron du pois, s’il est l’espèce mascotte du laboratoire, est le cauchemar des agriculteurs et des jardiniers. Il aime s’installer à l’abri du soleil, sous les feuilles pour prélever tranquillement la sève des plants, et malgré sa couleur verte harmonieuse, il est capable de réduire des récoltes à néant.
Depuis 2017, des chercheurs de l’INSA Lyon ont uni leurs forces pour combattre ces ravageurs grands de quelques millimètres, en mettant l’intelligence artificielle au service de l’agronomie. Focus sur une innovation qui pourrait bien s’avérer être le futur de l’insecticide durable.

Un projet ambitieux et aventureux
Le printemps 2020 a été marqué par des chiffres exceptionnels de présence de pucerons dans les champs de betteraves. Virulents, car transmetteurs de maladies, ces organismes sont habituellement éloignés des cultures au moyen de néonicotinoïdes, un type d’insecticide puissant largement controversé pour son danger sanitaire sur la biodiversité. En octobre dernier et en dépit de l’interdiction de 2018, les betteraviers avaient obtenu une dérogation pour faire face à l’infestation de pucerons, relançant la controverse. « Pour donner un ordre d’idée de l’efficacité des pesticides aériens, seuls 0,3 % vont réellement toucher leur cible. Les produits phytosanitaires atteignent les insectes pollinisateurs sans lesquels tout le système de reproduction des plantes s’effondre ; impactent les prochaines descendances de nuisibles qui se transforment pour résister aux produits ; sans parler du danger qui pèse sur la santé des consommateurs. La lutte chimique est utilisée depuis très longtemps, et ses ravages sont de plus en plus mis en lumière. Il est temps de trouver des alternatives durables et applicables à grande échelle », explique Pedro Da Silva, enseignant-chercheur et directeur-adjoint du laboratoire BF2i.
C’est ainsi qu’est né en 2017, faute de solution alternative crédible pour pallier les difficultés des agriculteurs, le projet Green Shield, entre les murs de trois laboratoires de l’INSA Lyon. « François Feugier est arrivé avec une invention brevetée, un laser robotisé. Il nous a demandés si nous pouvions travailler ensemble à une preuve de concept. Le robot était une invention ambitieuse, et cela nous plaisait. Depuis, le projet a pris beaucoup d’ampleur, avec la création d’une start-up Green Shield Technology, et la participation de quatre laboratoires : l’INL¹, Ampère² et BF2i ³ et Femto-st », explique Arnaud Lelevé, responsable scientifique du projet ANR – Green Shield 2017-2021.

Cible en vue : visez, armez
Après 5 ans de travail, un premier prototype a vu le jour. « Nous avons réussi à mettre sur pied un petit robot à 4 roues capable de rouler au-dessus des plants. Il est équipé d’une caméra qui détecte les pucerons, d’un boitier laser à CO2 et d’un banc optique. En arpentant les rangées de champs, il est capable de détecter les pucerons et de les éliminer avec un faisceau laser », explique Arnaud Lelevé. 

Pour arriver à un niveau de détection efficace, les équipes ont longuement étudié leur organisme cible : le puceron des pois, un animal étonnant capable de se faire presque invisible sur des hectares de culture. « C’est un puceron vert, sur une plante verte ! Ces insectes sont particulièrement difficiles à détecter, car ils se placent sous les feuillages et se fondent avec les plantations. Ils sont même capables de faire « les morts », en se laissant tomber au sol, en restant plusieurs jours pour mieux remonter ensuite. Choisir cette espèce n’était pas anodin : nous sommes partis du principe de qui peut le plus, peut le moins. Si notre prototype est capable de détecter et d’éliminer des pucerons, il pourra être efficace sur un grand nombre d’espèces, plus facilement détectables », explique Pedro Da Silva.
Un autre sujet qui a longuement occupé les équipes a fait l’objet d’une publication dans la revue scientifique Nature Scientific Reports. « Il fallait trouver le juste niveau d’irradiation laser pour tuer le puceron, sans endommager le végétal. C’était un travail presque chirurgical, car il ne fallait pas que la solution présente le moindre risque collatéral pour les cultures et le reste de la biodiversité », ajoute Arnaud Lelevé.

Projet Green Shield V.2
Soutenus par l’agence nationale de la recherche depuis 2017, les chercheurs prévoient encore quelques années de travail. « Nous espérons pouvoir réaliser une autre version du prototype avec nos collègues des laboratoires LiRiS et Citi pour améliorer l’intelligence artificielle. Il s’agirait aussi de rendre la solution miniature, pour que le robot soit plus facile à installer et s’adapte à tous les types de champs. Pour le moment, nous n’avons pas encore mené d’études de rentabilité et nous manquons de données expérimentales pour lancer une quelconque industrialisation », ajoute Arnaud.

Le projet transdisciplinaire peut également compter sur l’un des membres fondateurs pour sa future introduction sur le marché du pesticide durable. Depuis, la start-up Greenshield Technology a pu mettre en application les résultats de recherche pour commercialiser une technologie de désherbage haute-précision qui fait les preuves du potentiel des faisceaux laser infrarouges pulsés. Créée en même temps que la labellisation ANR du projet scientifique, la start-up peut se féliciter d’une belle réussite sociale et financière. Arrivé seul dans les laboratoires de l’INSA Lyon, le fondateur et docteur François Feugier a embarqué près d’une quinzaine de salariés à ses côtés, inscrivant le projet ANR Green Shield dans l’une des mutations les plus importantes pour l’avenir de l’homme et son environnement : parvenir à une agriculture durable et respectueuse de sa biodiversité.

¹Institut des Nanotechnologies de Lyon (CNRS/INSA Lyon/Lyon 1/CPE/ECL)
²Génie Électrique, Électromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (INSA Lyon/ECL/Lyon1/CNRS)
³Biologie Fonctionnelle, Insectes et Interactions (INSA Lyon/UdL/INRAE)

Pour clôturer le projet ANR-17-CE34-0012 Greenshield, une journée de synthèse est organisée le 16 septembre prochain.

Pour rappel, ce projet initié en 2017 s'inscrivait dans le cadre de la réduction de l’utilisation des pesticides. Il a eu pour objectif de développer un robot mobile pour combattre les ravageurs, en se basant sur l’analyse spectrale pour la détection et un module laser pour la destruction. 

Programme prévisionnel : 

08h30 - 09h       accueil café
09h00 - 09h30   contexte et genèse du projet
09h30 - 10h00   élaboration d'une base de données de pestes de l'agriculture
10h00 - 10h30   détection de pucerons 
10h30 - 11h00   pause
11h00 - 11h30   neutralisation de pucerons
11h30 - 12h00   conception mécanique et intégration
p12h00 - 12h30   résultats expérimentaux finaux
12h30 - 14h00   repas libre
14h00 - 15h00   démonstrations (pas de retransmission en direct a priori mais une video sera diffusée)
15h00 - 15h30   perspectives