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.