CMOS image sensor based on Active pixel sensor has considerably contributed to the imaging market and research interest in the past decade. Furthermore technology advancement has provided the capability to integrate more and more functionality into a single chip in multiple layers leading to a new paradigm, 3D integration. CMOS image sensor is one such application which could utilize the capability of 3D stacked architecture to achieve dedicated technologies in different layers, wire length reduction, less area, improved performancesThis research work is focused mainly on the early stages of design space exploration using hierarchical approach and aims at reducing time to market. This work investigates the imager from the top-down design perspective. Methodical anal y sis of imager is performed to achieve high level of flexibility and modularity. Re-useable models are developed to explore early design choices throughout the hierarchy. Finally, pareto front (providing trade off solutions) methodology is applied to explore the operating range of individual block at system level to help the designer making his design choice. Furthermore the thermal issues which get aggravated in the 3D stacked chip on the performance of the imager are studied. Systeme based thermal model is built to investigate the behavior of imager pixel matrix and to simulate the pixel matrix at high speed with acceptable accuracy compared to electrical simulations. The modular nature of the model makes simulations with future matrix extension straightforward. Validation of the thermal model with respect to electrical simulations is discussed. Finally an integrated design flow is developed to perform 3D floorplanning and to perform thermal anal y sis of the imager pixel matrix.

Ce travail de thèse étudie les moyens d’étendre les zones de charge d’espace des photodiodes PN d’un imageur CMOS afin d’améliorer la collection des charges photogénérées dans le silicium, en particulier dans le proche infra-rouge. Deux possibilités sont abordées : l’augmentation de la tension de polarisation des photodiodes et la diminution du dopage du silicium. Dans un premier temps, une étude théorique articulée autour de modèles analytiques et de simulations TCAD montre les difficultés technologiques pour parvenir à une augmentation de polarisation des photodiodes, ainsi que les conséquences de l’utilisation de substrats résistifs sur les éléments de l’imageur et sur ses performances. Ces simulations permettent de définir les éléments influençant l’extension de la charge d’espace d’un pixel. Sur la base de cette étude, un imageur CMOS à pixel 3T a été développé et fabriqué sur substrat float-zone très fortement résistif afin de valider les observations théoriques. La caractérisation de ce composant confirme la dépendance de la zone dépeuplée à la conception du pixel. Elle démontre également la corrélation entre l’extension des zones dépeuplées et les performances électro-optiques. Des règles de conception sont définies permettant d’optimiser les performances tout en limitant les courants de fuite entre pixels. / This work investigates solutions to extend the space charge region in CMOS image sensors in order to enhance the photo-generatedcharge collection from near-infraredradiations. Photodiode bias increase and low doped silicon substrate are proposed for this study. A theoretical analysis based on analytical model and TCAD simulations shows technological difficulties for photodiode bias in crease and the consequences of using high-resistivity silicon substrates on the imager performances. Space charge region dependency on the pixel design is assessed through simulations. A 3T pixel CMOS image sensor was developed and fabricated on a high resistivity float-zone silicon. Sensor characterization confirms space charge region dependency on the pixel design and the correlation between its extension and electro-optical performances. Design rules are defined to optimize electro-optical performances while limiting punchthrough current in the pixels array.

abstract: High speed image sensors are used as a diagnostic tool to analyze high speed processes for industrial, automotive, defense and biomedical application. The high fame rate of these sensors, capture a series of images that enables the viewer to understand and analyze the high speed phenomena. However, the pixel readout circuits designed for these sensors with a high frame rate (100fps to 1 Mfps) have a very low fill factor which are less than 58%. For high speed operation, the exposure time is less and (or) the light intensity incident on the image sensor is less. This makes it difficult for the sensor to detect faint light signals and gives a lower limit on the signal levels being detected by the sensor. Moreover, the leakage paths in the pixel readout circuit also sets a limit on the signal level being detected. Therefore, the fill factor of the pixel should be maximized and the leakage currents in the readout circuits should be minimized. This thesis work presents the design of the pixel readout circuit suitable for high speed and low light imaging application. The circuit is an improvement to the 6T pixel readout architecture. The designed readout circuit minimizes the leakage currents in the circuit and detects light producing a signal level of 350µV at the cathode of the photodiode. A novel layout technique is used for the pixel, which improves the fill factor of the pixel to 64.625%. The read out circuit designed is an integral part of high speed image sensor, which is fabricated using a 0.18 µm CMOS technology with the die size of 3.1mm x 3.4 mm, the pixel size of 20µm x 20 µm, number of pixel of 96 x 96 and four 10-bit pipelined ADC’s. The image sensor achieves a high frame rate of 10508 fps and readout speed of 96 M pixels / sec. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Electrical Engineering 2016

Le traitement d’images classique est basé sur l’évaluation des données délivrées par un système à basede capteur de vision sous forme d’images. L’information lumineuse captée est extraiteséquentiellement de chaque élément photosensible (pixel) de la matrice avec un certain cadencementet à fréquence fixe. Ces données, une fois mémorisées, forment une matrice de données qui estréactualisée de manière exhaustive à l’arrivée de chaque nouvelle image. De fait, Pour des capteurs àforte résolution, le volume de données à gérer est extrêmement important. De plus, le système neprend pas en compte le fait que l’information stockée ai changé ou non par rapport à l’imageprécédente. Cette probabilité est, en effet, assez importante. Ceci nous mène donc, selon « l’activité »de la scène filmée à un haut niveau de redondances temporelles. De même, la méthode de lectureusuelle ne prend pas en compte le fait que le pixel en phase de lecture a la même valeur ou non que lepixel voisin lu juste avant. Cela rajoute aux redondances temporelles un taux de redondances spatialesplus ou moins élevé selon le spectre de fréquences spatiales de la scène filmée. Dans cette thèse, nousavons développé plusieurs solutions qui visent contrôler le flot de données en sortie de l’imageur enessayant de réduire les redondances spatiales et temporelles des pixels. Les contraintes de simplicité etd’« intelligence » des techniques de lecture développées font la différence entre ce que nousprésentons et ce qui a été publié dans la littérature. En effet, les travaux présentés dans l’état de l’artproposent des solutions à cette problématique, qui en général, exigent de gros sacrifices en terme desurface du pixel, vu qu’elles implémentent des fonctions électroniques complexes in situ.Les principes de fonctionnement, les émulations sous MATLAB, la conception et les simulationsélectriques ainsi que les résultats expérimentaux des techniques proposées sont présentés en détailsdans ce manuscrit. / The classical image processing is based on the evaluation of data delivered by a vision sensor systemas images. The captured light information is extracted sequentially from each photosensitive element(pixel) of the matrix with a fixed frequency called frame rate. These data, once stored, form a matrixof data that is entirely updated at the acquisition of each new image. Therefore, for high resolutionimagers, the data flow is huge. Moreover, the conventional systems do not take into account the factthat the stored data have changed or not compared to the previously acquired image. Indeed, there is ahigh probability that this information is not changed. Therefore, this leads, depending on the "activity"of the filmed scene, to a high level of temporal redundancies. Similarly, the usual scanning methodsdo not take into account that the read pixel has or not the same value of his neighbor pixel read oncebefore. This adds to the temporal redundancies, spatial redundancies rate that depends on the spatialfrequency spectrum of the scene. In this thesis, we have developed several solutions that aim to controlthe output data flow from the imager trying to reduce both spatial and temporal pixels redundancies. Aconstraint of simplicity and "Smartness" of the developed readout techniques makes the differencebetween what we present and what has been published in the literature. Indeed, the works presented inthe literature suggest several solutions to this problem, but in general, these solutions require largesacrifices in terms of pixel area, since they implement complex electronic functions in situ.The operating principles, the emulation in MATLAB, the electrical design and simulations and theexperimental results of the proposed techniques are explained in detail in this manuscript

La poursuite de l'intégration de fonctions toujours plus complexes au sein d'un même circuit constitue un des principaux enjeux de la microélectronique. L'intégration tridimensionnelle par empilement de circuits (3D stacking) constitue une voie prometteuse pour y parvenir. Elle permet notamment de dépasser certaines limitations atteintes par les circuits actuels, plus particulièrement dans les circuits pour lesquelles les données sont distribuées et qui nécessitent des bandes passantes importantes. Néanmoins, à ce jour, très peu de travaux ont montré les avantages de l'intégration 3D, en particulier ceux s'appuyant sur des résultats expérimentaux et de circuits concrets notamment dans le domaine des imageurs. Le présent travail de thèse a eu pour objectif d'exploiter la technologie 3D dans le cadre des capteurs d'images et dépasser la preuve de concept présentée dans l'état de l'art afin d'apporter une analyse concrète des apports de cette technologie dans le domaine des imageurs visibles. Nous avons identifié, d'une part l'extension de dynamique qui requiert un traitement proche pixel, d'autre part la compression locale, destinée à adresser les problèmes d'intégrité du signal, bande passante et consommation qui deviennent critiques avec l'augmentation des formats des imageurs. Ce choix permet d'apporter une réponse à la limitation de la dynamique des capteurs d'images 2D actuels, tout en gardant une architecture classique des pixels et en adressant le problème de la réduction de la quantité de données à transmettre. Une nouvelle méthode de codage flottant par groupe de pixels a été proposée et implémentée. Le principe s'appuie sur l'adaptation du temps d'intégration par groupe de pixels via l'application d'un exposant commun au groupe. Le temps d'intégration est ajusté à l'image suivante. Un premier niveau de compression est ainsi réalisé par le codage mantisse-exposant proposé. L'implémentation de cette technique a été validée sur un démonstrateur 2D au détriment de pixels sacrifiés aveugles de chaque groupe de pixels, comportant l'électronique de génération des signaux de commande de la HDR. La technique d'extension de dynamique proposée est suivie d'une compression à base de DCT (Discrete Cosine Transform} permettant de réduire le flux de données en sortie de la puce imageur. Les deux niveaux de compression permettent d'atteindre des taux de compression élevés allant jusqu'à 93% en maintenant un PSNR de 30dB et une qualité d'image acceptable pour des post-traitements. Une étude théorique de l'apport de l'intégration 3D en termes de consommation a été élaborée. Enfin, un démonstrateur 2D a été réalisé en technologie CMOS 180 nm en vue de valider l'architecture grande dynamique proposée. L'utilisation de la technologie 3D, dans la suite des travaux, permet l'implémentation d'une boucle courte, devenue possible grâce aux interconnexions verticales sans sacrifier des pixels morts. Le traitement local proche du pixel et la réduction de la latence, du flux de données et de la consommation sont les apports majeurs de l'intégration 3D étudiés dans ce travail / With the increase of systems complexity, integrating different technologies together has become a major challenge. Another challenge has traditionally been the limitation on the throughout between different part of the system coming from the interconnections. If traditional two dimensional integration solutions like System In a Package (SIP) bring heterogonous technologies together there is still limitations coming from the restricted number and lengths of interconnections between the different system components. Three Dimensional stacking (3D), by exploiting short vertical interconnections between different circuits of mixed technologies, has the potential to overcome these limitations. Still, despite strong interests for the 3D concepts, there is no advanced analysis of 3D integration benefits, especially in the field of imagers and smart image sensors. This thesis study the potential benefits of 3D integration, with local processing and short feedback loops, for the realisation of a High Dynamic Range (HDR) image sensor. The dense vertical interconnections are used to locally adapt the integration time by group of pixels, called macro-pixels, while keeping a classic pixel architecture and hence a high fill factor. Stacking the pixel section and circuit section enables a compact pixel and the integration of flexible and versatile functions. High Dynamic Range values producing an important quantity of data, the choice has been made to implement data compression to reduce the circuit throughout. A first level of compression is produced by coding the pixel value using a floating format with a common exponent shared among the macro-pixel. A second level of compression is proposed based on a simplified version of the Discrete Cosine Transform (DCT). Using this two level scheme, a compression of 93% can be obtained with a typical PSNR of 30 dB. A validation of the architecture was carried out by the development; fabrication and test of a prototype on a 2D, 180 nm, CMOS technology. A few pixels of each macro-pixel had to be sacrificed to implement the high dynamic range control signals and emulate the 3D integration. The test results are very promising proving the benefits that will bring the 3D integration in term of power consumption and image quality compared to a classic 2D integration. Future realisations of this architecture, done using a real 3D technology, separating sensing and processing on different circuits communicating by vertical interconnection will not need the sacrifice of any pixel to adjust the integration time, improving power consumption, image quality and latency

Electronic imaging technologies are faced with the challenge of power consumption when transmitting large amounts of image data from the acquisition imager to the display or processing devices. This is especially a concern for portable applications, and becomes more prominent in increasingly high-resolution, high-frame rate imagers. Therefore, new sampling techniques are needed to minimize transmitted data, while maximizing the conveyed image information. <br /><br /> From this point of view, two approaches have been proposed and implemented in this thesis: <ol> <li> A system-level approach, in which the classical 1D row sampling CMOS imager is modified to a 2D ring sampling pyramidal architecture, using the same standard three transistor (3T) active pixel sensor (APS). </li> <li> A device-level approach, in which the classical orthogonal architecture has been preserved while altering the APS device structure, to design an expandable multiresolution image sensor. </li> </ol> A new scanning scheme has been suggested for the pyramidal image sensor, resulting in an intrascene foveated dynamic range (FDR) similar in profile to that of the human eye. In this scheme, the inner rings of the imager have a higher dynamic range than the outer rings. The pyramidal imager transmits the sampled image through 8 parallel output channels, allowing higher frame rates. The human eye is known to have less sensitivity to oblique contrast. Using this fact on the typical oblique distribution of fixed pattern noise, we demonstrate lower perception of this noise than the orthogonal FPN distribution of classical CMOS imagers. <br /><br /> The multiresolution image sensor principle is based on averaging regions of low interest from frame-sampled image kernels. One pixel is read from each kernel while keeping pixels in the region of interest at their high resolution. This significantly reduces the transferred data and increases the frame rate. Such architecture allows for programmability and expandability of multiresolution imaging applications.

Electronic imaging technologies are faced with the challenge of power consumption when transmitting large amounts of image data from the acquisition imager to the display or processing devices. This is especially a concern for portable applications, and becomes more prominent in increasingly high-resolution, high-frame rate imagers. Therefore, new sampling techniques are needed to minimize transmitted data, while maximizing the conveyed image information. <br /><br /> From this point of view, two approaches have been proposed and implemented in this thesis: <ol> <li> A system-level approach, in which the classical 1D row sampling CMOS imager is modified to a 2D ring sampling pyramidal architecture, using the same standard three transistor (3T) active pixel sensor (APS). </li> <li> A device-level approach, in which the classical orthogonal architecture has been preserved while altering the APS device structure, to design an expandable multiresolution image sensor. </li> </ol> A new scanning scheme has been suggested for the pyramidal image sensor, resulting in an intrascene foveated dynamic range (FDR) similar in profile to that of the human eye. In this scheme, the inner rings of the imager have a higher dynamic range than the outer rings. The pyramidal imager transmits the sampled image through 8 parallel output channels, allowing higher frame rates. The human eye is known to have less sensitivity to oblique contrast. Using this fact on the typical oblique distribution of fixed pattern noise, we demonstrate lower perception of this noise than the orthogonal FPN distribution of classical CMOS imagers. <br /><br /> The multiresolution image sensor principle is based on averaging regions of low interest from frame-sampled image kernels. One pixel is read from each kernel while keeping pixels in the region of interest at their high resolution. This significantly reduces the transferred data and increases the frame rate. Such architecture allows for programmability and expandability of multiresolution imaging applications.

Diese Arbeit befasst sich mit dem Entwurf eines asynchron arbeitenden, zeitbasierten CMOS–Bildsensors mit erhöhtem Dynamikbereich und Unterdrückung zeitlich redundanter Daten. Aufgrund immer kleinerer Strukturgrößen in modernen Prozessen zur Fertigung von Halbleitern und einer gleichzeitig physikalisch bedingt immer geringeren Skalierbarkeit konventioneller Bildsensoren wird es zunehmend möglich und praktikabel, Signalverarbeitungsansätze auf Pixelebene zu implementieren. Unter Berücksichtigung dieser Entwicklungen befasst sich die folgende Arbeit mit dem Entwurf eines neuartigen CMOS–Bildsensors mit nahezu vollständiger Unterdrückung zeitlich redundanter Daten auf Pixelebene. Jedes photosensitive Element in der Matrix arbeitet dabei vollkommen autonom. Es detektiert selbständig Änderungen in der Bestrahlung und gibt den Absolutwert nur beim Auftreten einer solchen Änderung mittels asynchroner Signalisierung nach außen. Darüber hinaus zeichnet sich der entwickelte Bildaufnehmer durch einen, gegenüber herkömmlichen Bildsensoren, deutlich erhöhten Dynamikbereich und eine niedrige Energieaufnahme aus, wodurch das Prinzip besonders für die Verwendung in Systemen für den mobilen Einsatz oder zur Durchführung von Überwachungsaufgaben geeignet ist. Die Realisierbarkeit des Konzepts wurde durch die erfolgreiche Implementierung eines entsprechenden Bildaufnehmers in einem Standard–CMOS–Prozess nachgewiesen. Durch die Größe des Designs von 304 x 240 Bildelementen, die den Umfang üblicher Prototypen-Realisierungen deutlich übersteigt, konnte speziell die Anwendbarkeit im Bereich größerer Sensorfelder gezeigt werden. Der Schaltkreis wurde erfolgreich getestet, wobei sowohl das Gesamtsystem als auch einzelne Schaltungsteile messtechnisch analysiert worden sind. Die nachgewiesene Bildqualität deckt sich dabei in guter Näherung mit den theoretischen Vorbetrachtungen.

Parmi les techniques d'imagerie optiques utilisées en milieu clinique, la principale limitation est la faible résolution lorsque la profondeur d'examen dépasse quelques mm. Cette limite de résolution ne permet pas à l'heure actuelle de concurrencer les techniques d'imagerie médicales permettant de réaliser un examen du corps dans son intégralité (Rayons X, IRM, Scanner). Dans ce cadre, l'imagerie acousto-optique présente plusieurs avantages: elle permet de mesurer des propriétés optiques utiles pour la détection de tumeur, à la résolution spatiale des ultrasons. Cependant, les dispositifs de détection utilisés présentent un manque de sensibilité et de rapidité qui freinent le transfert de cette technique en milieu clinique.Ce constat nous a conduit à étudier les caractéristiques intrinsèques du signal acousto-optique afin de proposer deux architectures de pixels basées sur des technologies CMOS. La première architecture, totalement analogique, présente des caractéristiques de vitesse d'acquisition compatibles avec le temps de corrélation des milieux biologiques (<1 ms)et un pré-traitement du signal utile. La seconde architecture intègre une fonction de conversion analogique-numérique de manière à simplifier le montage optique, et traiter le signal plus efficacement.Par ailleurs, le contrôle de la phase en plusieurs points du front est essentiel pour refocaliser les signaux lumineux. Pour contourner les limitations de vitesse des dispositifs de contrôle adaptatif de phase de l'état de l'art, nous avons développé un dispositif monolithique constitué de l'empilement physique d'un modulateur de lumière en phase, à cristaux liquides, sur un circuit CMOS constitué d'une matrice de photo-détecteurs et de circuits de traitement afin de permettre le contrôle de front d'onde dès son acquisition. Le dispositif opto-électronique a été proposé et couplé à la première architecture électronique. Il permet de réaliser une opération sur la phase de l'onde lumineuse en chaque pixel (conjugaison de phase par ex.) en parallèle sur les pixels d'une matrice, dans un intervalle de temps inférieur au temps de corrélation des milieux biologiques. / Among the optical medical imaging techniques used in medicine, the main limitation is the low resolution at a penetration depth greater than a few mm. This limitation does not allows competing with the standard imaging techniques such as X rays or RMI based imaging. In that scope, the acousto-optical imaging features several advantages: it allows measuring an optical contrast useful to detect tumors, in conjunction with the spatial resolution of ultrasound. However, the state of the art detecting devices feature a lack of sensitivity, which prevent its transfer to medical practitioners.This leads us to study the intrinsic features of the acousto-optical signal in order to propose two CMOS pixel architectures. The first one, fully analog, is compliant with the correlation time of biological tissue (1 ms typ.) and features an analog processing of the relevant signal. The second one is based on a digital pixel which contains an analog to digital converter, allowing simplifying the optical setup and increasing the robustness of the processing.In addition, related to the recent progress in wavefront control, an opto-electronic device, coupled with the first pixel architecture, has been proposed. It allows performing an optical phase operation (e.g. phase conjugation) in parallel on a pixels array, within the correlation time of biological media. Thus, this monolithic device circumvents the speed limitations of state of the art setup by a physical stacking of a liquid crystals spatial light modulator over a CMOS image sensor.

L' imagerie spatiale est aujourd'hui un outil indispensable au développement durable, à la recherche et aux innovations scientifiques ainsi qu’à la sécurité et la défense. Fort de ses excellentes performances électro-optiques, de son fort taux d’intégration et de la faible puissance nécessaire à son fonctionnement, le capteur d’images CMOS apparait comme un candidat sérieux pour ce type d’application. Cependant, cette technologie d’imageur doit être capable de résister à l’environnement radiatif spatial hostile pouvant dégrader les performances des composants électroniques. Un nombre important d’études précédentes sont consacrées à l’impact des effets ionisants sur les imageurs CMOS, montrant leur robustesse et des voies de durcissement face à de telles radiations. Les conclusions de ces travaux soulignent l’importance d’étudier les effets non-ionisants, devenant prépondérant dans les imageurs utilisant les dernières évolutions de la technologie CMOS. Par conséquent, l’objectif de ces travaux de thèse est d’étudier l’impact des effets non-ionisants sur les imageurs CMOS. Ces effets, regroupés sous le nom de déplacements atomiques, sont étudiés sur un nombre important de capteurs d’images CMOS et de structures de test. Ces dispositifs sont conçus avec des procédés de fabrication CMOS différents et en utilisant des variations de règle de dessin afin d’investiguer des tendances de dégradation commune à la technologie d’imager CMOS. Dans ces travaux, une équivalence entre les irradiations aux protons et aux neutrons est mise en évidence grâce à des caractéristiques courant-tension et des mesures de spectroscopie transitoire de niveau profond. Ces résultats soulignent la pertinence des irradiations aux neutrons pour étudier les effets non-ionisants. L’augmentation et la déformation de l’histogramme de courant d’obscurité ainsi que le signal télégraphique aléatoire associé, qui devient le facteur limitant des futures applications d’imagerie spatiale, sont évalué et modélisés. Des paramètres génériques d’évaluation des effets des déplacements atomiques sont mis en évidence, permettant de prévoir le comportement des capteurs d’images CMOS en environnement radiatif spatial. Enfin, des méthodes d’atténuation et des voies de durcissement des imageurs CMOS limitant l’impact des déplacements atomiques sont proposées. / Today, space imaging is an essential tool for sustainable development, research and scientific innovation as well as security and defense. Thanks to their good electro-optic performances and low power consumption, CMOS image sensors are serious candidates to equip future space instruments. However, it is important to know and understand the behavior of this imager technology when it faces the space radiation environment which could damage devices performances. Many previous studies have been focused on ionizing effects in CMOS imagers, showing their hardness and several hardening-by-design techniques against such radiations. The conclusions of these works emphasized the need to study non-ionizing effects which have become a major issue in the last generation of CMOS image sensors. Therefore, this research work focuses on non-ionizing effects in CMOS image sensors. These effects, also called displacement damage, are investigated on a large number of CMOS imagers and test structures. These devices are designed using several CMOS processes and using design rule changes in order to observe possible common behaviors in CMOS technology. Similarities have been shown between proton and neutron irradiations using current-voltage characteristics and deep level transient spectroscopy. These results emphasize the relevance of neutron irradiations for an accurate study of the non-ionizing effects. Then, displacement damage induced dark current increase as well as the associated random telegraph signal are measured and modeled. Common evaluation parameters to investigate displacement damage are found, allowing imager behavior prediction in space radiation environment. Finally, specific methods and hardening-by-design techniques to mitigate displacement damage are proposed.