Produites sur des substrats de grande dimension grâce aux technologies d'impression, les photodiodes organiques suscitent un intérêt grandissant pour leurs applications prometteuses dans le domaine de l'imagerie médicale, des interfaces hommes-machines et les grands instruments. Ces photodiodes (dont les performances tendent à concurrencer celles en silicium amorphe), présentent de nombreux avantages : simplicité du procédé d'impression, faible coût d'investissement, souplesse du substrat et propriétés d'absorption remarquables des polymères. Toutefois, les performances de ces photodiodes restent encore en deçà de ce que l'on pourrait espérer. Ce travail de thèse a pour but d'étudier une source importante de dégradation des performances de ces photodiodes : les états de gap. En effet, ces états de gap induisent des recombinaisons de type Shockley Read Hall (SRH), donnant lieu sous lumière à des recombinaisons de paire électron trous, et en l'absence de lumière, à une augmentation du courant d'obscurité par génération dite thermique. Dans ce manuscrit, les états de gap et leurs impacts sur les performances des photodiodes organiques ont été tout d'abord étudiés par le biais de simulations numériques. Le rôle prédominant des états de milieu de gap dans les recombinaisons a ainsi été mis en évidence. Par la suite, ces simulations ont été généralisées au cas de distributions de pièges ou « queues de bandes », mettant en évidence le rôle des états profonds d'une part, et des états peu profonds d'autre part. L'étude expérimentale des queues de bande (dont l'origine est probablement le désordre des chaînes de polymères dans l'hétérojonction volumique) a montré que ces queues de bande peuvent être partiellement contrôlées par l'introduction d'un recuit. Un modèle a été développé et a permis de montrer que lorsque les caractéristiques physiques de la morphologie de l'hétérojonction volumique et électriques des queues de bande sont connues et prises en compte, les caractéristiques électro-optiques des photodiodes organiques peuvent être correctement reproduites. Des caractérisations physiques par UPS ont confirmé par ailleurs le rôle joué par la réorganisation des queues de bande au cours du recuit thermique de la couche active dans l'amélioration des performances des photodiodes organiques. Dans le cadre d'une seconde étude, il a été mis en évidence que des pièges profonds chargés (accepteurs ou donneurs) en concentration importante conduisent à une courbure du potentiel électrique entre l'anode et la cathode et donc à une non-uniformité du champ électrique dans la couche active. En conséquence, ces états profonds sont à l'origine d'une dissymétrie du rendement de collection lorsque l'on éclaire ces composants d'un coté ou de l'autre. Différentes voies d'optimisations ont été étudiées afin de réduire leur concentration, ainsi que leur impact sur les performances des photodiodes organiques. / Organic photodiodes are nowadays of growing interests as they are able to address promising applications such as human-machine interfaces, medical and large area sensors. Organic photodiodes are made on large plastic substrate using different printing techniques. Intensive research have been made on this field as it offers many advantages with respect to amorphous silicon: ease of process, low cost fabrication process, flexible substrate and competitive polymer absorption properties. However, organic photodiode performances are still lower than the expected characteristics. The objective of this work is to study gap states which are responsible for major source of electrical losses in these devices. Indeed gap states are sources of Shockley Read Hall type recombinations which lead to the recombination of electron hole pairs under light condition and the generation of thermal current under dark condition. First, gap states and their impact on organic photodiode performances are studied using numerical simulations. Based on these simulations, results determined that the mid gap states are the most efficient trap states among the distribution of states inside the gap. Then, this study was applied to band tail states which originate from the polymer chains disorder inside the bulk heterojunction. An experimental investigation highlights the energetic reorganization of band tail states when a thermal annealing step is introduced. A model is derived from these characterizations and demonstrated that when the physical parameters of the bulk heterojunction morphology and the band tail states characteristics are taken into account, electro-optical performances can be well reproduced by this model. On the other hand, UPS measurement confirmed the key role played by the energetic reorganization of these band tail states during the annealing treatment in the active layer on the photodiode performances improvement. A second study concerns the charged deep gap states (donor or accepteor). In sufficient concentration, these deep gap states can lead to the electrical potential bending between the anode and the cathode and so to a non-uniformity of the electric field inside the active layer. As consequences, these gap states induce a dissymmetry of collection efficiency depending of the illumination side. Different optimization paths are studied in order to reduce their concentration and their detrimental impact on the organic photodiode performances.

Le développement d'un produit portable et performant, tout en limitant les coûts, répond à la croissance du marché de la détection biologique par la méthode de la biochimiluminescence. Cet outil de diagnostic d'hygiène et de qualité en temps réel in situ permet une meilleure sécurité, gestion des risques, traçabilité et surveillance des risques. Cet outil trouvera son application dans les domaines agroalimentaires, médicaux, pharmaceutiques, cosmétologiques, environnementaux (eau, air, surfaces), le tertiaire ou les collectivités. Les intérêts sont industriels, écologiques et économiques, et reflètent le désir de proposer un produit novateur et compétitif sur un marché en plein essor. En effet, la détection de certains contaminants est devenue une priorité dans la gestion des risques microbiologiques. La plupart des méthodes de diagnostic actuelles sont lentes, coûteuses, complexes, et limitées dans leur mise en uvre et leurs résultats. Le diagnostic étant essentiel dans tous les secteurs d'activité, il est impératif d'apporter des solutions alternati ves de détection et de quantification des germes pathogènes ou autre toxiques, par la conception de nouveaux outils d'analyse sur le terrain, en temps réel, avec une rapidité et une sensibilité élevées. Ceci passe par une étude fine des phénomènes de biochimiluminescence (BCL) et par la recherche des différents composants optoélectronique capables de détecter les faibles puissances lumineuses émises. Le projet de conception d'un luminomètre de terrain à base de photodiodes PIN ou avalanche, ou de photomultiplicateurs répond aux besoins de la détection et de la mesure de la puissance lumineuse rayonnée par des réactions spécifique ou non de biochimiluminescence. L'élaboration d'un appareil de mesure portable destiné à la quantification in situ de biomasse ou molécules à l'état de traces est nécessaire à l'exploitation des réactifs. En effet, les appareils existants fournissent une information en RLU (Relative Light Unit, unité arbitraire qui né cessite une comparaison à un étalon connu) et ne donnent pas une information quantifiée directe sur la concentration de l'élément recherché dans l'échantillon testé. Ils ne permettent donc pas d'optimiser la biochimiluminescence sur le terrain. L'objectif de ce travail est de mettre au point une alternative plus performante que les systèmes de détection actuels et qui soit moins onéreuse. / The development of a portable and efficient device, while reducing costs, meets the growing market for biological detection by the method of biochimiluminescence. This diagnostic tool of hygiene and quality in real time in situ allows for better security, risk management, traceability and risk monitoring.This tool will find application in the areas food, medical, pharmaceutical, cosmetic, environmental (water, air and surfaces), the tertiary or communities. Interests are industrial, environmental and economic, and reflect the desire to offer an innovative and competitive device in a booming market.Indeed, the detection of contaminants has become a priority in the management of microbiological hazards. Most current diagnostic methods are slow, costly, complex and limited in their implementation and their results.The diagnosis is essential in all industries, it is imperative to provide alternative solutions for the detection and quantification of pathogens or other toxic by the conception of new analytical tools in situ in real time with speed and high sensitivity. This requires a detailed study of biochimiluminescence (BCL) phenomena and the search for various optoelectronic components capable of detecting low power emitted light.The projet for the conception of a field-luminometer based on avalanche photodiodes, or PIN, or photomultiplier responds to the needs of detecting and measuring the light power radiated by reactions biochimiluminescence specific or not. The development of a portable measuring device for in situ quantification of biomass or molecules trace is necessary for the operation of the reactants.Indeed, existing devices provide information in RLU (Relative Light Units, arbitrary units implying a comparison to a known standard) and do not give a direct quantified information on the concentration of the desired item in the test sample. So, they do not optimize biochimiluminescence field. The objective of this work is to develop an alternative more efficient than current detection systems and is less expensive.

[pt] Este trabalho apresenta um método teórico e experimental para medir Perda Dependente de Polarização (PDL) em sistemas ópticos. Este método basea-se na forma como duas componentes de polarização ortogonais da luz moduladas em amplitude por duas frequências distintas são acopladas no detector após a transmissão pelo dispositivo sob caracterização. No presente trabalho é realizado um estudo acerca das propriedades da luz e das técnicas tradicionais utlizadas para medir PDL. Antes da caracterização das medidas de PDL, foi realizado o alinhamento do dispositivo de teste (DUT), ou seja, do sistema que vai emular a PDL, a fim de garantir que o mesmo estivesse com as perdas ópticas minimizadas. Em seguida, conectou-se o DUT à configuração montada no laboratório, sendo realizado os ajustes de polarização e supressão das portadoras ópticas. Neste método é possível calcular o valor da PDL e da na orientação na Esfera de Poincaré. / [en] This work presents a theoretic and experimental method for Polarization Dependent Loss (PDL) measurement in optical systems. This method is based on how two orthogonal polarization components both modulated in amplitude by two different frequency are coupled in the detector. In this present work a study is performed about light properties and traditional techniques used to peform PDL measurement. Before the characterization of PDL measures the alignment of the device under test (DUT) was performed to make sure that optical losses were minimized in the system which will emulate the PDL. Then, the DUT was connected to the experimental setup to optical carriers suppression and polarization alignment. In this method is possible to calculate the PDL value and its orientation on the Poincaré sphere.

Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G. / Abstract : Single Photon Avalanche Diodes (SPAD) generate much interest in applications which require single photon detection and excellent timing resolution, such as high energy physics and medical imaging. In fact, SPAD arrays such as Silicon PhotoMultipliers (SiPM) are gradually replacing PhotoMultiplier Tubes (PMT) and Avalanche PhotoDiodes (APD). There is now a trend moving towards SPAD arrays in CMOS technologies with smart pixels control for high timing demanding applications. Making SPAD in commercial CMOS technologies provides several advantages over optoelectronic processes such as lower costs, higher production capabilities, easier electronics integration and system miniaturization. However, the major drawback is the lack of flexibility when designing the SPAD architecture because all fabrication steps are fixed by the CMOS technology used. Another drawback of CMOS SPAD arrays is the loss of photosensitive areas caused by the CMOS circuits integration. This document presents SPAD design, characterization and optimization made in a commercial CMOS technology (Teledyne DALSA 0.8 µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Custom process variations have been performed in partnership with the CMOS foundry to optimize the SPAD while keeping the CMOS line compatibility. The realized SPAD and SPAD arrays are dedicated to 3D integration with either low-cost TDSI CMOS electronics or advanced deep sub-micron CMOS electronics to perform a 3D digital SiPM (3D-SiPM). The novel 3D-SiPM is intended to replace PMT, APD and commercially available SiPM in timing demanding applications. The group main objective is to develop a 10 ps timing resolution 3D-SiPM for use in high energy physics and medical imaging applications. Those applications require reliable technologies with a certified production capability, which justifies the actual effort to use commercial CMOS line to develop our 3D-SiPM. This dissertation focuses on SPAD design, characterization and optimization made in the TDSI-CMOSP8G technology.

This thesis describes investigations into the photophysical properties of luminescent materials and their application in optoelectronic devices such as light emitting diodes and photodetectors. The materials used were all solution processable because of the interest in low cost processing of organics. I have investigated the photophysics of 1,4,5,8,9,12-hexamethyltriphenylene, a triphenylene derivative which has its luminescence enhanced by the addition of methyl groups. These groups change the planar shape of the triphenylene molecule into a twisted one, changing the symmetry of the molecule and increasing its dipole moment in absorption and emission by ~4 fold. This increased its rate of radiative deexcitation by ~20 times. In addition, the twisted shape of the molecule prevents intermolecular interactions and concentration effects from affecting the luminescence. This results in an efficient solid-state photoluminescence quantum yield of 31%. This thesis also includes an investigation into phosphorescent polymer dendrimers, designed to have suitable viscosities in solution for inkjet printed OLED applications. A photophysical study of the intra-chain aggregation effects on the luminescence was undertaken in both homopolymers and copolymers with high energy gap spacer units. Using double dendrons to increase the steric protection of the luminescent cores, the best homopolymers achieved 12.1% external quantum efficiency (39.3 cd/A) at 100 cd/m² brightness and the best co-polymer achieved 14.7% EQE (48.3 cd/A) at 100 cd/m². This compares favourably with 11.8% EQE for the best phosphorescent polymer and 16% for the best solution processed dendrimer OLED previously reported. Finally I have applied a solution processed enhancement layer to silicon photodiodes to enhance their ultraviolet response. Using a blend of materials to give favourable absorption and emission properties, 61% external quantum efficiency was achieved at 200 nm, which is better than the 20-30% typical for vacuum deposited lumogen enhancement layers used commercially.

Dans cette thèse, nous présentons des outils de modélisation destinés à l'étude des composants optoélectroniques et des méthodes d'optimisation permettant d'en tirer encore plus de profit. Afin de modéliser différents composants optoélectroniques sur InP, nous avons mis au point un logiciel fondé sur la méthode des faisceaux propagés (BPM) afin d'étudier la propagation et l'absorption de la lumière, et un modèle hydrodynamique afin de modéliser leur comportement électronique. Nous avons réalisé une recherche bibliographique pour regrouper les données matériaux nécessaires. Le premier composant que nous avons étudié et optimisé est un phototransistor à hétérojonction InP/InGaAs pour les applications hyperfréquences. Nous avons exposé son fonctionnement et montré ses possibilités et limites. Sa structure optique de type guide d'onde peut être améliorée par l'ajout d'une couche de quaternaire. On peut envisager la réalisation de phototransistors à double hétérojonction pour les applications de puissance. Nous avons ensuite étudié des photodiodes PIN-guide à très fort coefficient de couplage et grande tolérance d'alignement. Différentes solutions ont été envisagées. Nous avons montré l'intérêt des « structures lentillées », comportant plusieurs couches de confinement d'indices optiques progressifs, et étudié leurs performances optiques et électriques. Pour optimiser ces structures, nous avons mis au point un algorithme Monte Carlo couplé à une BPM-2D, qui permet de tester des milliers de structures aléatoires. Enfin, nous avons réalisé un Algorithme Génétique couplé à une BPM-2D et avons montré son intérêt pour l'optimisation de composants optoélectroniques avec de nombreux paramètres et des objectifs multiples. Ce type d'algorithme est fondé sur la théorie de l'évolution de Darwin. Nous l'avons appliqué à l'optimisation de commutateurs optique à réflexion interne totale et de commutateurs cascade.

L'astronomie gamma des Très Hautes Energies utilise jusqu'à aujourd'hui exclusivement comme détecteurs le Photomultiplicateur à Tube (PMT) pour capter les faibles flux lumineux des gerbes atmosphériques. Mais une alternative commence à apparaitre : les photodiodes à avalanche polarisées en mode Geiger appelées APD Geiger. Le PMT est un détecteur conçu dans les années 70 qui présente certes de nombreux avantages mais qui souffre également d'inconvénients comme la taille, le coût, le poids ou encore la sensibilité aux champs magnétiques et surtout la difficulté à réaliser une pixellisation en matrice. Les APD-Geiger, sont des dispositifs à semi-conducteur composés d'une jonction PN intégrée dans une technologie spéciale pour la détection de très faible flux lumineux grâce à leur polarisation au delà de la tension d'avalanche. Les APD-Geiger présentent un gain de photoélectrons très élevé (~106), bien que dépendant fortement de la tension de polarisation au delà de l'avalanche. Ces photodiodes présentent de nombreux avantages par rapport aux photomultiplicateurs, notamment du point de vue de leur miniaturisation pour des applications basées sur l'imagerie, comme la détection de flashs Tcherenkov en astronomie gamma. Dans cette thèse, nous présentons l'étude, la conception et la réalisation de cette structure technologique basée sur du Silicium. Cette structure a montré sa fiabilité pour la détection de faibles flux lumineux avec une tension de claquage de 12V et un courant de fuite ne dépassant pas 10pA au claquage. Nous avons également mis au point, différents modèles physiques et électriques indispensables aux démarches d'optimisation technologiques ainsi qu'au développement des circuits de commande et de lecture, i.e. la base de toute technologie d'imagerie. Le travail présenté ici consiste en l'étude, la conception et la réalisation d'une matrice de pixels à haute sensibilité. Un projet de télescope Cerenkov basé sur cette technologie innovante est finalement présenté

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Made available in DSpace on 2014-10-09T12:51:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:10:00Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP