Optimisation de la collection des photons pour des capteurs d'images en technologie CMOS

par Flavien Hirigoyen

Thèse de doctorat en Optique, image et signal

Sous la direction de Mireille Commandré.

Soutenue en 2005

à Aix-Marseille 3 .


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  • Titre traduit

    Photon collection optimization for image sensors in CMOS technology


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est de mettre en place une nouvelle méthodologie afin d'optimiser la collection de photons pour des capteurs d'images CMOS, et d'atteindre de bonnes performances optiques. La méthodologie consiste à créer un modèle tridimensionnel fidèle du pixel, à partir de son dessin réalisé depuis les outils de conception assistée par ordinateur, insérable dans un logiciel de tracé de rayon. Ce modèle prend en compte la géométrie exacte ainsi que les propriétés optiques des matériaux composants chacun de ses éléments. Une source spécifique a également été développée pour simuler l'éclairement du pixel en conditions réelles (derrière une lentille objectif). Après chaque tracé de rayons, les résultats de simulations sont ensuite transférés dans un autre logiciel pour le post-traitement. Ce dernier consiste à approximer le taux de collection de porteurs de charges par des surfaces photosensibles de référence pondérées, dont les poids sont déterminés par ajustement des résultats de simulation de réponse angulaire du pixel aux mesures, selon les moindres carrés. A partir de ces surfaces et de leurs poids les distributions spatiales de l'éclairement à l'intérieur du substrat sont comptabilisées pour évaluer le signal de sortie du capteur. Ces résultats de simulations sont ensuite comparés aux mesures expérimentales, afin de calibrer et de valider le simulateur, et de quantifier les effets du vignettage sur les performances optiques du capteur. Ayant démontré sa pertinence, nous avons utilisé cette méthodologie pour prédire les performances optiques d'architectures avancées, et aider les ingénieurs de conception et de procédé à optimiser les dessins de pixels et les techniques de fabrication.


  • Résumé

    The objective of the thesis is to put in place a new methodology for photon collection optimization for CMOS image sensors in order to achieve good optical performances. The methodology consists in starting from the pixel layout description from standard microelectronic CAD software. From this, we generate a three-dimensional model on an optical ray tracing software. This optical model aims to be as realistic as possible taking into account the geometrical shape of all the components of the pixel and the optical properties of the materials. A specific ray source has also been developed to simulate the pixel illumination in real conditions (behind an objective lens). After the optical simulation itself, the results are transferred to another software for more convenient post-processing where we use as photosensitive area a weighted surface determined from the fit of angular response simulation results to the measurements, according to least square criterion. Using this surface we count the ray density inside the substrate to evaluate the simulated output signal of the sensor. These simulation results are then compared to the corresponding experimental measurements and validated, demonstrating the relevance of our optical simulation process, and permitting to quantify the vignetting effects of the sensors on optical performances. We reused this simulation methodology to predict the optical performances of more advanced architectures, and to help designers and process engineers to optimize the pixels and the fabrication process.

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La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (228 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'en 2010
  • Annexes : Bibliogr. p. 217-223

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université d'Aix-Marseille (Marseille. Saint-Jérôme). Service commun de la documentation. Bibliothèque de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : T 3332
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