A Novel CMOS Micro-Spectrometer Based on Wavelength Absorption

L'analyse spectrométrique est une technique largement utilisée pour étudier les matériaux et les composés. Les spectromètres modernes dédiés à la recherche sont des instruments encombrants composés d'une source lumineuse, d'un élément de dispersion, de lentilles, d'un capteur photonique, de composants électromécaniques et de circuits électroniques de contrôle, de traitement de données et de mémoire. Les éléments de dispersion les plus couramment employés sont les prismes et les réseaux de diffraction ou d'interférence. Les éléments de dispersion sont irremplaçables dans les spectromètres modernes. Dans cette thèse, une nouvelle méthode pour la détection du spectre basée sur l'absorption des photons dans le Silicium, matériau de base employé dans les procédés de fabrication microélectronique, est proposée. Le spectromètre, nommé Wavelength Absorption Spectrometer (WAS), n'utilise aucun élément de dispersion. Les technologies de fabrication CMOS permettent d'implémenter sur la même puce, le détecteur et les composants de traitement de signal du spectromètre. La profondeur de pénétration de la lumière incidente dépend de la longueur d'onde pour un matériau semi-conducteur spécifique de sorte que l'information spectrale peut être obtenue en mesurant la concentration en excès de paires électron-trou photo générés en fonction de la profondeur. Le transport des charges en excès photo-générées dépend de la concentration des dopants, de la distribution des champs électrique et magnétique, du taux de génération et de recombinaison, de la vitesse de recombinaison de surface, de la durée de vie des charges, de la température et de la géométrie du dispositif. La thèse traite en détail le principe de détection proposé et présente les résultats expérimentaux d'un prototype WAS.

Abstract

Spectrometry analysis is a widely used technique to investigate materials and structures. The current research-grade spectrometers are bulky equipment composed of a light source, a dispersing element, lenses, an optical sensor, electromechanical components and an electronic circuit. The commonly used dispersing elements mainly include a prism, diffraction grating, or an interference component. The dispersing elements are irreplaceable in modern spectrometers. In this thesis, a novel method of detecting the spectrum based on wavelength absorption phenomenon in silicon is proposed; it is called Wavelength Absorption Spectrometer (WAS). CMOS integrated circuit technology is highly mature and allows the detector and the signal processing component to be implemented on the same chip. The light incident depth depends on its wavelength for a specific semiconductor material, thus the wavelength spectral information is obtained by measuring the photo-generated electron-hole pairs as a function of depth. Under the electric and magnetic field, the photo-generated holes are collected by reverse-biased PN junctions. The excess carrier transportation depends on the doping concentration, the electric and magnetic field distribution, the generation-recombination rate, the surface recombination velocity, carriers' life time, the temperature, and the device geometry. All of these factors are discussed in the thesis. The thesis discusses the proposed detection principle in detail and presents experimental results of a WAS prototype. Three wavelengths, 470