Modélisation numérique avancée des dispositifs photoniques

par Yassine Oussaiti

Projet de thèse en Electronique et Optoélectronique, Nano- et Microtechnologies

Sous la direction de Marco Pala, Denis Rideau et de Philippe Dollfus.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (laboratoire) , Nanoélectronique (equipe de recherche) et de Université Paris-Sud (1970-2019) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 08-01-2018 .


  • Résumé

    Dans le cadre du développement des diodes à avalanche à photon unique (SPAD), la modélisation du bruit et des effets induits par la technologie CMOS employée est inéluctable : c'est ainsi que la fiabilité et la robustesse de ces dispositifs est évaluée. De ce fait, les modèles physiques implémentés actuellement dans les solveurs TCAD n'intègrent pas les effets de non-localité et les effets quantiques dans le transport des porteurs. De surcroît, ces derniers sont étudiés jusqu'alors en termes de densités, ce qui nuit à la détermination de la réponse statistique d'un seul photon. Cette thèse se propose alors comme support au développement des SPADs, à travers la modélisation numérique (algorithmes Monte Carlo pour la résolution de l'équation de transport de Boltzmann) de ces effets appliqués à des structures représentatives. Pour y parvenir, une étude comparative des résultats de simulations sera d'abord établie. Ensuite, des modèles analytiques seront implémentés permettant la compréhension des mécanismes d'ionisation par choc et de SRH à champs électriques forts, corrélés avec les résultats expérimentaux de la littérature. Parallèlement, des mesures électriques seront reproduits et des architectures proposées, donnant accès à l'étude de chaque phénomène physique à part. L'objectif final est de construire un modèle TCAD calibré, exhaustif, qui pourra servir de base à la modélisation des prochaines générations de ces dispositifs photoniques.

  • Titre traduit

    Advanced numérical modeling of photonics devices


  • Résumé

    In the development of Single-Photon Avalanche Diodes(SPAD), a major role will be played by the modeling of noise and intrinsic effects induced by the specified CMOS technology. This is how the reliability and the robustness of these devices are evaluated. Actually, the physical models currently implemented in commercial TCAD solvers do not integrate the non-locality and quantum effects on the transport properties of carriers. In addition, carriers are studied until now in terms of densities, which affects the determination of the statistical response for a single photon. This thesis is proposed as support for the development of SPADs, through numerical modeling (Monte Carlo algorithms for the solution of Boltzmann Transport Equation) of different Figures of Merit applied to representative structures. To achieve this aim, a benchmark of simulation results will be first established. Then, analytical models will be implemented allowing the understanding of impact ionization and SRH mechanisms in strong electric fields, correlated with the experimental results of the literature. In parallel, electrical measurements will be reproduced and architectures proposed, giving access to the study of each physical phenomenon apart (technological splits). The ultimate goal is to build a calibrated and exhaustive TCAD model that can be used as a basis for modeling future generations of these photonics devices.