Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée

Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée Emmanuel MOUTAYE, Hélène TAP-BETEILLE Journées télémétrie laser , Nice, 20-21 octobre 2011

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Systèmes embarqués. Introduction Problématiques Intégration des systèmes Augmentation des fonctionnalités. Diminution de l’encombrement. Diminution de la consommation. Augmentation des performances. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 2/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Technologie CMOS • Technologie mature (1960). • - Modèles électriques et technologiques bien connus et très précis. • - Application aisée du facteur d’échelle pour l’évolution du système vers des technologies nouvelles. Vecteur de l’intégration des microsystèmes. • 4Kg • Auto. 3h • Fonction : • Téléphone • 102g • Auto. 12j • Fonction : • Télephone • Lecteur MP3 • Radio FM • Lecteur video • Appareil photo • … • - Intégration multifonctions. • Diminution les dimensions. • - Diminution des temps de transit des signaux. • - Diminution de la consommation. • Bas coûts pour une fabrication de masse. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 3/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Modulation de fréquence (FMCW) Mesure du déphasage Introduction Problématiques Mesure de distance par temps de vol en régime sinusoïdal permanent. - Facilité de mise en œuvre. - Détermination « directe » de la mesure de distance. - Meilleure performance en terme de précision de mesure. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 4/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Rf fI = |fRF – fLO| PIN ou APD VTRANS fI VoutBP Déphasage entre VTRANSet VRF: fRF Phasemètre fOL Osc. LO 0 fI,  fI Osc. RF D fI fRF Vref  VRF Cible lamber-tienne Mélangeur Passe Bande DiodeLaser 166,6 MHz Diaphonie entre la voie d’émission et de réception à haute fréquence. Télémètre laser par déphasage avec technique hétérodyne Filtrage à bande étroite afin d’améliorer le rapport signal sur bruit Transposition de fréquence pour faciliter la mesure du déphasage. Haute résolution: 50 µm pour fRF=166,6 MHz et Δ = 0.02° Introduction Problématiques Télémétrie laser par déphasage – Diaphonie On souhaite donc limiter le trajet des signaux de hautes fréquences 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 5/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Rf PIN ou APD fRF Phasemètre 0 0 Osc. RF Osc. RF D fRF  fRF Cible lamber-tienne Diode Laser DiodeLaser fI,  fI Limitation de la bande passante. Pénalité en bruit Solution : Suppression de l’amplificateur transimpédance par l’utilisation d’un mélangeur optoélectronique (OEM). Introduction Problématiques Limitations de l’amplificateur transimpédance - Transimpédance fonctionnant à la fréquence fRF. fI - Capacité de jonction Cj de la photodiode. OEM fOL Osc. LO fI  On souhaite disposer du signal photoélectrique de fréquence intermédiaire 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 6/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Mélangeurs optoélectroniques Exemple d’APD silicium : S2381 Hamamatsu. BV  100 V à 200 V incompatible avec l’approche système embarqué. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 7/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Plan • - Les mélangeurs optoélectroniques • Conception de photodiodes à avalanche en technologie CMOS. • Application au mélange optoélectronique. • -Validation du mélange • -Matrice d’APD CMOS • -Conclusion - Perspectives 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 8/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Présentation Un mélangeur optoélectronique (OEM) réalise un mélange entre un signal optique et un signal électrique. Choix d’un photodétecteur - Photodétecteur non-linéaire. - Conversion puissance optique en photocourant. - Modulation du photocourant par le signal électrique. - Combinaison des fréquences des signaux d'entrée en sortie. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 9/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives P+ P N+ p Flux incident Substrat Zone de multiplication Zone de génération Champ électrique Introduction Problématiques Photodiodes à avalanche Structure d’une photodiode PIN avec une zone de multiplication fonctionnant dans le régime d’avalanche. Gain important : 10 à 104. Bonne sensibilité : Zone de génération dédiée. Temps de réponse limité par le temps de transit des porteurs. Bruit dégradé par la multiplication par le phénomène d’avalanche. Intégration délicate dû aux zones de génération et de multiplication séparées. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 10/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Photodiodes à avalanche (2) Polarisation statique en courant dans le régime d’avalanche Flux lumineux incident modulé à la fréquence fRF Polarisation dynamique en tension à la fréquence fOL APD Mélange des fréquences Modulation du facteur multiplicatif M Mesure de IAPD à la fréquence fIF = fRF - fOL Modulation du photocourant primaire 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 11/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Process technologique AMS 0,35 µm Bon compromis budget de tension (3,3V) / fréquence maximale d’utilisation. Technologie éprouvée et encore très utilisée en analogique. • Contraintes d’intégration : • - Chronologie du process. • Eviter le claquage prématuré de la jonction périphérique (environ 3.105 V.cm-1 dans le Silicium). • Objectif : • Tension d’avalanche compatibles avec la technologie. Méthodologie : - Déduction des paramètres technologiques manquants. - Etablissement du modèle du process. - Description des structures sous Athéna. - Simulations électriques et optiques sous Atlas. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 13/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Process technologique AMS 0,35 µm (2) Process technologique 0,35 µm Standard. Process technologique 0,35 µm HV avec caisson isolé. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 14/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Il est impossible d’insérer un caisson moins dopé au niveau de la jonction périphérique. Utilisation de la diffusion latérale de deux caissons pour créer une zone faiblement dopée. d optimal de 1,2 µm. Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Structure P+N hors caisson isolé. Influence de la largeur de l’anneau de garde. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 15/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Avalanche au niveau de la jonction plane avant le claquage de la jonction périphérique. Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Champ électrique au sein de la structure pour VAPD = -5 V et d = 1,2 µm. Champ électrique horizontal plus faible que le Champ électrique vertical. Structure P+N hors caisson isolé. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 16/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Structure P+N hors caisson isolé. Caractéristique courant-tension en simulation dans les conditions d’obscurité. Vavalanche # -3,5 V Caractéristique courant-tension sous polarisation inverse dans les conditions d’obscurité et d’éclairement. Vavalanche # -4,5 V Variation de la courbure entre l’obscurité et l’éclairement. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 17/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Structure P+N hors caisson isolé. Sensibilité spectrale de l’APD en simulation en fonction de la longueur d’onde. S APD = 0,18(A/W) pour  = 400 nm, VAPD = - 1 V Sensibilité spectrale de l’APD en fonction de la longueur d’onde. S APD = 0,11(A/W) pour  = 500 nm, VAPD = - 2 V 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 18/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Anneau de garde réalisé par l’insertion d’un P-tub au niveau de la jonction périphérique. Structure plus « robuste » car ne dépend pas de la largeur de l’anneau de garde. Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Structure P+N dans un caisson isolé. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 19/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Avalanche au niveau de la jonction plane avant le claquage de la jonction périphérique. Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Champ électrique au sein de la structure pour VAPD = -5 V. Champ électrique horizontal plus faible que le Champ électrique vertical. Structure P+N dans un caisson isolé. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 20/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Structure P+N dans un caisson isolé. Caractéristique courant-tension sous polarisation inverse dans les conditions d’obscurité et d’éclairement. Vavalanche # -10 V Forte variation de la courbure entre l’obscurité et l’éclairement. Caractéristique courant-tension en simulation dans les conditions d’obscurité. Vavalanche # -3,5 V 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 21/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Photodiode à avalanche Structure P+N dans un caisson isolé. Sensibilité spectrale de l’APD en simulation en fonction de la longueur d’onde. S APD = 0,4(A/W) pour  = 500 nm, VAPD = - 1 V Sensibilité spectrale de l’APD en fonction de la longueur d’onde. S APD = 0,12(A/W) pour  = 575 nm, VAPD = - 1 V 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 22/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Résultats expérimentaux éloignés des résultats de simulation pour l’APD P+N_I à cause de l’incertitude sur le dopage du N-tub On peut améliorer la sensibilité à l’aide d’un traitement anti-reflet en surface. Introduction Problématiques Résultats de simulations VS résultats expérimentaux 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 23/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception dAPD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Plan • - Les mélangeurs optoélectroniques • Conception de photodiodes à avalanche en technologie CMOS. • Application au mélange optoélectronique. • -Validation du mélange • -Matrice d’APD CMOS • -Conclusion - Perspectives 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 24/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Application au mélange optoélectronique Mise en œuvre du mélange optoélectronique. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 25/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Application au mélange optoélectronique Structure P+N hors caisson isolé.  = 575 nm 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 26/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Application au mélange optoélectronique Structure P+N dans un caisson isolé.  = 575 nm 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 27/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Meilleurs rendements de conversion pour fortes amplitudes de l’oscillateur local. L’APD P+N_NI présente le meilleur compromis rendement de conversion/amplitude de la tension de l’oscillateur local. Introduction Problématiques Comparaison du mélange optoélectronique 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 28/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Conclusion Possibilité d’intégrer des APDs en technologie CMOS sans modification du process. Intégration monolithique d’APDs et de l’électronique associée. Faisabilité du mélange optoélectronique au sein des APDs. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 30/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Conclusion • Matriçage de la tête de photoréception : • Levée des imperfections inhérentes à l’utilisation d’une photodiode de grande surface. • - Possibilité de balayer une scène et d’en déduire un profil. • Imagerie 3D. • Il est donc possible de réaliser un système embarqué de photoréception pour la télémétrie compact, hautes performances et faible coût. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 31/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Conclusion Influence importante des dispersions technologiques qui rend impossible la reproductibilité des performances d’un run à un autre. Difficulté à décrire le process d’AMS avec précision d’où une grande incertitude sur certaines valeurs de dopage. Refus d’AMS de collaborer sur la mise au point des photodétecteurs CMOS. Nécessité de mettre en œuvre une NDA avec un « plus petit » fondeur. 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 32/33

Les mélangeurs optoélectroniques Conception d’APD CMOS Application au mélange Conclusion et perspectives Introduction Problématiques Merci pour votre attention!Avez-vous des questions? 20-21/10/2011 Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser intégrée 33/33

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