Les capteurs d’image CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) constituent la technologie la plus utilisée dans les systèmes d’imagerie numérique. Fondés sur les propriétés photosensibles des semi-conducteurs, tels que le silicium, les capteurs CMOS permettent une large gamme d’applications : capturer une scène à un instant donné, acquérir des images à grande plage dynamique, ou encore fournir des données pouvant être traitées par des systèmes pour des tâches telles que la reconnaissance faciale ou la détection d’obstacles.
Parmi les paramètres clés des capteurs d’image CMOS, la plage dynamique correspond à la capacité du capteur à capturer simultanément des zones faiblement et fortement éclairées. Certains signaux parasites intrinsèques au capteur, tels que le courant d’obscurité, peuvent dégrader cette plage dynamique. Ainsi, le courant d’obscurité fait l’objet de nombreuses études dans la littérature afin d’améliorer les performances des capteurs.
Le courant d’obscurité est un signal parasite provenant de la génération non désirée de paires électron-trou, due à la présence de défauts atomiques dans le silicium ou à l’interface entre le silicium et d’autres matériaux. Ce travail de thèse s’intéresse spécifiquement à la contribution des interfaces. Il existe des méthodes de caractérisation permettant de mesurer le niveau de courant d’obscurité dans les capteurs d’image, et d’en extraire les énergies d’activation associées aux mécanismes de génération. Cependant, des ambiguïtés peuvent subsister quant à la source principale du courant d’obscurité, car plusieurs contributeurs peuvent partager une même énergie d’activation et sont difficiles à dissocier.
L’objectif de cette thèse est de développer des outils alternatifs pour identifier et étudier les sources du courant d’obscurité. L’approche vise à établir un lien entre les modèles de courant d’obscurité, notamment ceux fondés sur le formalisme SRH, et les mesures de courant d’obscurité réalisées sur des matrices de pixels. Pour atteindre cet objectif, des structures de test dédiées peuvent être caractérisées afin d’isoler certaines interfaces et d’extraire des paramètres clés liés à la passivation de surface, permettant ainsi de décomposer les origines physiques de la génération de porteurs. Ces caractérisations peuvent également contribuer à l’implémentation des modèles de courant d’obscurité, au suivi des technologies de fabrication des pixels, et s’avérer essentielles pour les études de fiabilité des pixels. |
Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) image sensors are the most widely used technology in digital imaging systems. Based on the photosensitive properties of semiconductors, such as silicon, CMOS sensors enable a wide range of applications: capturing a scene at a specific moment, acquiring images with high dynamic range, or providing data that can be processed by systems for tasks such as facial recognition or obstacle detection.
Among the key parameters of CMOS image sensors, the dynamic range refers to the sensor’s ability to capture scenes that include both low-light and high-light areas simultaneously. Intrinsic parasitic signals of the imager, such as dark current, can negatively affect the dynamic range. As a result, dark current is widely studied in the literature to improve sensor performance.
Dark current is a parasitic signal resulting from the generation of unwanted electron–hole pairs, caused by atomic defects in the silicon or at the silicon interface with other materials. This PhD work focuses on the contribution of interfaces. Characterization methods exist to measure the dark current level in image sensors and can provide activation energies associated with the generation mechanisms. However, ambiguities may remain regarding the main source of dark current, as different contributors can share the same activation energy and are difficult to dissociate.
The objective of this PhD work is to develop alternative tools for identifying and studying the sources of dark current. The approach aims to bridge dark current models, particularly those based on the SRH formalism, with dark current measurements performed on pixel arrays. To achieve this objective, dedicated test structures can be characterized to isolate specific interfaces and extract key parameters related to surface passivation, thereby enabling the decomposition of the physical origins of carrier generation. These characterizations can also support the implementation of dark current models, contribute to the monitoring of pixel process technologies, and be key for pixel reliability studies.
|