Modélisation pour la simulation et la prédiction des performances des photodiodes à avalanche en mode Geiger pour Lidars spatiaux

par Aymeric Panglosse

Projet de thèse en MicroNano Systèmes

Sous la direction de Pierre Magnan et de Philippe Martin-gontier.

Thèses en préparation à Toulouse, ISAE , dans le cadre de École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications (Toulouse) , en partenariat avec ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial (laboratoire) et de CIMI - Conception d'Imageurs Matriciels Intégré (equipe de recherche) depuis le 12-10-2015 .


  • Résumé

    Dans le processus de réalisation d'un capteur CMOS, les étapes d'analyse et simulation sont fondamentales pour étudier et prédire les paramètres de performance. En effet, la conception, la fabrication et la caractérisation des circuits sont des étapes coûteuses, à la fois en temps et en ressource financière. Pour ce qui est des SPADs, photodiodes à avalanche à photon unique, les outils commerciaux de simulation de la fabrication des dispositifs à semi-conducteurs TCAD (Technology Computer-Aided Design) ne simulent pas directement les paramètres de performance. Cependant, les sorties de la TCAD peuvent être utilisées afin d'obtenir ces critères. Les outils TCAD simulent correctement les paramètres physiques et électriques tels que les champs électriques ou la tension de claquage. Quelques modèles proposent d'évaluer les performances mais se basent sur des calculs théoriques pour évaluer les paramètres électriques et/ou ne prennent pas en compte l'influence du processus technologique . D'autres auteurs utilisent les sorties de la TCAD, couplées à des modèles analytiques/numériques afin d'obtenir les critères. Le processus technologique CMOS est alors entièrement simulé en se basant sur des données de la littérature. La calibration des données du processus CMOS est alors effectuée en ajustant les conditions d'implantation avec des tensions de claquage provenant d'études de la littérature. Cependant, les mesures de tension de claquage de la littérature présentent toujours des dispersions et il semble difficile de retranscrire avec précision les données d'un processus CMOS sans avoir accès aux données du fondeurs. Ainsi, cette méthode, bien qu'efficiente, soulève des interrogations sur la précision des données relatives à la qualité du processus technologique et à l'acquisition des informations sur la population de piège au sein du SPAD. En particulier, le DCR, taux de compte en obscurité, et la probabilité d'afterpulsing dépendent fortement de la qualité et propreté du processus technologique. Ainsi, la principale difficulté pour modéliser correctement les paramètres de performance est d'obtenir des informations à propos des paramètres physiques dépendant du processus CMOS visé tels que l'énergie des pièges, les paramètres physiques pour modéliser les effets tunnels. Ces informations ne peuvent être obtenues que par des mesures. Le côté innovant de ce travail de thèse réside dans le développement d'un modèle utilisant les sorties de la TCAD et des mesures effectuées directement sur des structures de la technologie CMOS cible. Ceci afin d'obtenir des informations sur la population de piège, la qualité du processus technologique et les conditions d'implantation. Cela permettra de se rapprocher le plus possible de la réalité du processus technologique et d'améliorer les prédictions.

  • Titre traduit

    Modelling for simulation and prediction of Geiger-mode avalanche photodiode performances for space Lidars


  • Résumé

    Abstract: The use of silicon based devices for photodetection using CMOS process, has found, over the last few years, numerous applications from space to medical domains. Considerable progress made in CMOS image sensor technology, in terms of photodetection performances enhancement and noise reduction, has made this technology suitable for low light imaging and low signal applications. Nevertheless, the achievement of the foregoing is strongly dependent upon the capability to pursue sensitivity enhancement with single photon detection and capacity to operate in counting mode as ultimate targets. To move in that direction, avalanche photodiode, either in linear or Geiger mode, seems to be the most promising solution. Indeed, these devices use charge multiplication for signal improvement. Based on innovative idea, this work focuses on single photon detection capability and aims at exploring new ways of improving modeling and simulation capabilities of single photon avalanche photodiode (SPAD) using, to the extent possible, the last CMOS process optimized for imaging. Acquired knowledge during literature search allow identifying and deepen the main SPAD performance parameters. In CMOS embedded circuits production flow, analysis, modeling and simulation used to study and predict performance parameters are crucial regarding the cost involved in the following step: conception, manufacturing, and circuit characterization. When it comes to SPAD, commercial simulation tools such as TCAD (Technology Computer-Aided Design) do not implement direct modeling and simulation solution of the main SPAD parameters but they do simulate accurately electrical parameters as the electric field or breakdown voltage. Some physical models allow the user to evaluate some of these statistical parameters but they are based on theoretical and analytical calculation which does not take into account the influence of the technological process. Some others are based on TCAD simulation to evaluate electrical parameters but they generate and simulate the entire process with TCAD tool, which raise interrogation about the acquisition of important data such as trap concentration, activation energy, or oxide quality. The innovative side of this thesis work lies in a model which allow to simulate the SPAD performance parameters, in particular SPAD used in space LIDAR application, using information on physical parameters acquired via TCAD simulation which is fed by measurements on simple structures, bringing information concerning trap population, in order to get as close as possible to the technological process reality.