Résumé : Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d’une part, la conception d’un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d’autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence. Le dispositif de détection conçu implémente un photodétecteur à quatre jonctions enterrées (Buried Quad Junction photodetector – BQJ) et un étage de préamplification de charge pour le traitement simultané des quatre sorties de ce photodétecteur. L’ensemble a été fabriqué en technologie Haut-Voltage CMOS Teledyne-DALSA 0,8μm. Son fonctionnement a été démontré et ses performances, notamment en termes de bruit et de sensibilité, ont été caractérisées. En parallèle, des filtres optiques coupe-bande ont été développés à l’aide d’un procédé compatible avec la technologie CMOS utilisée pour le photodétecteur. Ainsi, le dépôt de ces filtres sur le photodétecteur pourra être intégré dans le process de fabrication industriel. Les filtres interférentiels développés sont fabriqués en alternant des dépôts de couches minces de nitrure et d’oxyde de silicium par PECVD. La mesure des indices optiques de ces matériaux a été utilisée pour optimiser ces filtres à partir de simulations. Les filtres déposés sur lame de verre ou sur le photodétecteur BQJ ont été caractérisés. Des méthodes de traitement des signaux spécifiques pour le BQJ sont également proposées pour améliorer la sensibilité et/ou la sélectivité de détection. Leurs performances ont été évaluées. Enfin, des mesures de fluorescence avec le système de photodétection conçu ont été réalisées sur des mélanges de nanocristaux fluorescents (quantum dots) ou de fluorophores organiques. Ces résultats préliminaires permettent de valider le fonctionnement applicatif du système de photodétection développé. // Abstract : This thesis aims to develop an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on-a-chip implementing very small volumes of reagents (less than one microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection. The detection device implements a Buried Quad Junction photodetector (BQJ) and charge sensitive preamplifiers for the simultaneous treatment of its four outputs. The chip was made in 0.8μm High Voltage CMOS technology from Teledyne-DALSA. Its operation has been demonstrated and its performances, especially in terms of noise and sensitivity, have been characterized. In parallel, optical notch filters have been developed using a process compatible with the CMOS technology used for the photodetector fabrication. Thus, deposition of these filters on the photodetector can be integrated during industrial process. Developed interference filters are made by alternating deposition of thin layers of nitride and silicon oxide by PECVD. Measurements of refractive index of these materials were used to optimize these filters through simulations. The filters implemented on a glass cover or on the BQJ photodetector were characterized. Signal processing methods specific to BQJ are also proposed to improve the detection’s sensitivity and/or selectivity. Their performances were evaluated. Finally, fluorescence measurements with the designed photodetection device were performed on mixtures of fluorescent nanocrystals (quantum dots) or of organic fluorophores. These preliminary results validate the performances in terms of photodetection of the designed integrated photodetection device.

Ce travail de thèse a pour but de développer un dispositif basé autour d'un dispositif intégré de photodétection pour des applications biomédicales nécessitant une grande sensibilité de détection et une discrimination spectrale (sélectivité). Ce dispositif peut être appliqué, par exemple, à la mesure simultanée de plusieurs marqueurs fluorescents dans les laboratoires sur puce mettant en œuvre de très faibles volumes de réactifs (inférieurs au microlitre). Le travail de thèse se focalise sur la conception, la réalisation et le test de ce dispositif intégré de photodétection. Ce travail se décline selon deux axes principaux : d'une part, la conception d'un photodétecteur CMOS avec préamplificateurs intégrés, et d'autre part la conception, la réalisation et la caractérisation de filtres optiques intégrés performants pour la détection de fluorescence / This thesis aims to develop a system based around an integrated photosensor device for biomedical applications requiring high detection sensitivity and spectral discrimination (selectivity). For example, this system can be applied to mesure simultaneous emissions of several fluorescent labels in lab-on- a-chip implementing very small volumes of reagents (below the microliter). The thesis focuses on the design, implementation and testing of this integrated photodetector device. The work is divided in two main parts: first, the design of a CMOS photodetector with integrated preamplifiers, and secondly the design, realization and characterization of integrated optical filters for fluorescence detection

Pour développer un hodoscope de faisceau en hadronthérapie, capable de localiser les ions dans le plan transverse et de les étiqueter en temps avec une précision de 1 nc et un taux de comptage de 100 000 000 HZ, nous avons mené des études de conception d'ASICs (Aplication Specific Integrated Circuits) de lecture à associer à des photomultiplicateurs multi-anode. Un front-end ASIC 16 voies en technologieAMS BiCMOS 0,35 µm a été conçu, fabriqué et testé. Il intégre, sur chaque voie, un convoyeur de courant avec deux sorties en étage d'entrée, et deux étages de sortie séparés qui sont respectivement un comparateur en courant et un préamplificateur de charge. Il réalise à la fois la détection d'évènements et la quantification de signal détecté. L'étude de conception a apporté des performances optimisées sur la dynamique d'entrée, la consommation d'énergie, la rapidité, le bruit. Le fonctionnement du circuit de lecture incorporé dans un système de test a aussi été vérifié par une expérimentation en faisceau. D'autre part, nous avons conçu un ASIC d'étiquetage en temps utilisant la technologie AMS CMOS 0,35 µm. Il est à base d'une boucle à verrouillage de délai analogique avec la mise en oeuvre de la méthode de mesure du "temps de vol", et dispose d'un mode d'entrée d'horloge LVDS (Low Voltage Differential Singaling) et d'une sortie de 5 bits en code Gray. Il fonctionne avec une résolution temporelle de 200 ps selon les résultats de tests. Ces études nous ont permis de lancer un nouveau projet de conception : intégrer sur une puce les fonctions électroniques que nous avons réalisées et validées. / To develop a beam hodoscope in hadrontherapy, able to localize the beam position and to get a time tagging with a accuracy of ~ 1ns at a count rate of 100 000 000 HZ, we have studied and designed read-out ASICs' (Application Specific Intergrated Circuits) to be associated with multi-anode photomultiplier. One of 16-channel front-end ASIC in 0,35 µm AMS BICMOS process ahs been designed, fabraicated and tested. Each channel consists to a current coveyor (with two current outputs) as an input stage, and two separat output stages wich are a current comparator and a charge-sensitive amplifier (CSA) respectively. It performs both signal-event detection and signal charge quantification. The design work includes optimization of circuit performances such as input dynamic range, power dissipation; speed and noise. The circuit has also ben incorporated in a test system and its opration has been verified by beam experimentation. On the other hand, we have also designed another ASIC in a 0.35 µm AMS CMOS process. Itn is based on an analog DLL (Delay Locked Loop) with implementation of the TOF (Time Of Flight) measuring method. It has a LVDS (Low Voltage Differential Signaling) clock input mode and a 5-bit Gray-code output. It operates with 200-ps timing rsolution according to test results. These studies have led us to launch a new design project: integrating the studied and validated electronic functions on a single chip.