Cette thèse concerne l’étude des photodétecteurs à base de matériauxsemi-conducteurs organiques (OPDs) sensibles à la lumière verte. Ces travaux sedivisent en cinq parties distinctes. Tout d’abord, une recherche bibliographique suiviedes notions fondamentales sur les matériaux et le fonctionnement des dispositifsorganiques est présentée. Ensuite, un travail sur la méthodologie concernant lafabrication de bancs expérimentaux et sur la métrologie garantissant l’exactitude desdonnées expérimentales sont effectués. Les méthodes de fabrication etd’optimisation, notamment le dépôt par sérigraphie, sont également présentées. Lapartie expérimentale concerne l’étude de l’origine du courant d’obscurité dans lesstructures organiques à base des matériaux donneur et accepteur d’électrons, laconception et la caractérisation d’un photodétecteur organique à l’état de l’art dontles performances optoélectroniques sont proches des dispositifs inorganiques baséssur la technologie silicium. Enfin, l’étude des mécanismes de dégradation d’uncapteur organique est présentée mettant en avant le rôle de l’oxygène et l’humidité. / This thesis deals with the study of photodetectors based on organicsemiconductor materials (OPDs) that are sensitive to green light. There are five partsto this study. First, a bibliographic study following the fundamentals of organicmaterials and the working principle of organic photodetectors is presented. Then, anextended study on the methodology and metrology is detailed, which was carried outin order to design and fabricate new optoelectronic instruments that are able tocharacterize organic devices accurately. Fabrication and optimization steps oforganic photodetectors are detailed. The experimental section concerns the study onthe origin of the dark current in organic devices based on electron donor/acceptorsystems. A choice of materials is discussed and a full characterisation of state-of-theartorganic photodetectors is presented in detail. The measured performances wereclose to the those of inorganic sensors based on silicon technology. Finally, a studyof degradation mechanisms is presented which highlights the role of oxygen andmoisture.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soit pour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteurs infrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domaine du visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectre visible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domaine de l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un bon candidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’une bande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opération cryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : il s’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Ce phénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode). En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporelle qui va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, ou de la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sont étudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation des sources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’attén

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.

Les capteurs d'images sont utilisés dans diverses applications spatiales : observation spatiale, calcul d'attitude etc. Ces capteurs évoluent dans l’environnement spatial dont les rayonnements entraînent une dégradation de leurs performances. Parmi les paramètres impactés, nous nous intéressons au courant d'obscurité des pixels. Ce courant parasite correspond à la génération de porteurs de charges sans lumière par simple excitation thermique, induisant l'augmentation du bruit de fond des images. Les pixels fortement dégradés sont particulièrement pénalisants pour les missions spatiales. Cet effet pousse donc la communauté spatiale à développer des méthodes de prédiction performantes. L'ONERA a développé une méthode originale de prédiction des courants d'obscurité basée sur la méthode de Monte Carlo et la librairie GEANT4. L’objectif de la thèse est d’améliorer la prédiction de l’outil. Dans un premier temps, nous avons modifié l'outil numérique pour des cas extrêmes de modélisations pour lesquels les modélisations Monte Carlo sont trop longues. Pour cela, nous avons développé des méthodes utilisant des simplifications statistiques. Dans un second temps, nous avons étudié l’influence de la géométrie du pixel sur le courant d'obscurité. L’idée est de suivre les cascades de dégradations générées par les particules spatiales et de déterminer si ces cascades restent confinées au sein du pixel impacté ou si elles se propagent dans les pixels voisins. Enfin, nous avons élaboré dans notre outil un modèle simulant les mécanismes liés au champ électrique potentiellement responsables des dégradations les plus élevées, les effets Poole-Frenkel et tunnel assisté par phonons. / Image sensors are used in various space applications: space and earth observations, attitude calculation etc. Those sensors are very sensitive to the space environment whose radiations lead to a degradation of their performances. Among the different impacted parameters, we are interested in the increase of dark current in the pixels. This parasitic current is caused by the thermal generation of charge carriers without any light excitation inducing the increase of the background noise on the images. Some pixels exhibiting the highest degradation are particularly disadvantageous for space missions. They can be critical for some missions and impose to the space community to develop effective prediction methods. ONERA developed an original method to predict dark current induce by the space radiations, based on a Monte Carlo method and the GEANT4 library. The objective of the PhD is to improve the performances of the tool. The approach of this work is first to modify the numerical tool for extreme cases of modelling (i.e. high fluencies or huge pixel volume) for which the Monte Carlo simulations are too long. In order to reduce this computation time, we developed calculation methods using statistical simplifications. In a second part, we studied the influence of the pixel geometry on the dark current. The idea is to follow the degradation cascades created by space particles and to determine if those cascades are contained in the impacted pixel or if they reach neighbor pixels. Finally, we modelled in our tool the physical mechanisms potentially responsible of the highest degradations linked to the electric field, the Poole-Frenkel effect and the phonon assisted tunneling.

Grâce à l'explosion du marché grand public des smartphones et tablettes, les capteurs d'image CMOS ont bénéficiés de développements technologiques majeurs leur permettant de rivaliser voir même de devancer les performances des capteurs CCD. En parallèle, dans les domaines de l'aérospatial ou de l'imagerie médicale, des capteurs CMOS ont également été développés pour des applications à fortes valeurs ajoutées avec des technologies reconnues pour leur robustesse en environnement ionisant. Le travail de cette thèse a pour but de réunir dans une même architecture de pixel les dernières avancées technologiques développées pour les capteurs grands publics avec une solution novatrice de durcissement aux rayonnements ionisants récemment développée chez STMicroelectronics. Pour la première fois, cette nouvelle architecture de pixel de 1,4µm de côté et éclairée par la face arrière intègre une photodiode pincée verticale à collection de trous, une chaine de lecture composée de transistors PMOS et des tranchées d'isolation profondes à passivation passive ou active. Ce type de pixel a été conçu à l'aide de simulations TCAD en trois dimensions qui ont permis d'optimiser l'intégration de procédés pour sa fabrication. Il a été caractérisé et comparé à un pixel équivalent de type N avant et après irradiation par rayonnement gamma. Le pixel développé au cours de cette thèse présente intrinsèquement un plus faible courant d'obscurité que son homologue de type N et une meilleure résistance aux radiations. La passivation active des tranchées d'isolation profondes permet d'atténuer fortement l'impact des dégradations habituellement observées au niveau des interfaces Si/SiO2 et s'avère donc prometteuse en environnement ionisant. Des mécanismes intrinsèquement différents de formation de pixels blancs sous irradiation ont été mis en évidence pour les pixels de type P et de type N. Enfin, les technologies de l'éclairement par la face arrière et de la photodiode verticale contribuent chacune à la bonne efficacité quantique du pixel ainsi qu'à sa capacité de stockage importante / Thanks to the growing smartphones and tablets consumer markets, CMOS image sensors have benefited from major technology developments and are able to rival with and even outperform CCD sensors. In parallel, for spatial and medical imaging applications, CMOS sensors have been developed using technologies recognized for their robustness in harsh ionizing environment. This Ph.D. thesis work aims at combining in one single pixel architecture the latest technology developments driven by consumer applications with a novel solution for radiation hardening recently developed at STMicroelectronics. For the first time, this innovative back-side illuminated pixel architecture integrates within a 1.4µm pitch a vertical pinned photodiode based on hole-collection, a PMOS readout chain and deep trench isolation with either passive or active interface passivation. This pixel has been developed using 3D-TCAD simulations allowing fast and efficient optimization of its fabrication process. Through a series of electro-optical characterizations, we have compared its performances to its N-type equivalent before and after irradiation with gamma rays. The pixel developed during this thesis exhibits intrinsically lower level of dark current than its N-type counterpart and improved radiation hardness. Active passivation of deep trench isolation greatly decreases the impact of degradations usually observed at Si/SiO2 interfaces and therefore shows very promising results in ionizing environment. Evidence of intrinsically different mechanisms of white pixel formation under irradiation for N-type and P-type pixels have been presented. Finally, back-side illumination technology and the vertical photodiode both contribute to the pixel’s high full well capacity and good quantum efficiency

Les capteurs d’images CMOS connaissent une croissance rapide vers des applications à fortes valeurs ajoutées. Certains marchés en devenir, comme les applications d’imagerie médicale,sont axés sur la tenue aux rayonnements ionisants. Des solutions de durcissement par dessin existent actuellement pour limiter les effets de ces dégradations. Cependant, ces dernières peuvent contraindre assez fortement certains paramètres du pixel. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution novatrice de durcissement aux effets d’ionisation par les procédés.Elle suggère l’utilisation de pixels intégrant une photodiode pincée à collection de trous pour limiter la dégradation du courant d’obscurité : paramètre le plus sévèrement impacté lors d’irradiations ionisantes. Cette étude est donc premièrement centrée sur la modélisation et l’étude du courant d’obscurité sur des capteurs CMOS standards aussi bien avant qu’après irradiation. Ces dernières assimilées, un démonstrateur d’un capteur intégrant des pixels de1.4 μm à détection de trous est proposé et réalisé. Les résultats en courant d’obscurité, induit par la contribution des interfaces, montrent de belles perspectives avant irradiation. Ce capteur a d’ailleurs été utilisé pour effectuer une comparaison directe sous irradiation entre un capteur à détection de trous et d’électrons à design identique. Ces essais montrent une réduction significative du courant d’obscurité aux fortes doses. Des voies d’amélioration sont proposées pour améliorer l’efficacité quantique du capteur, principal point à optimiser pour des applications aussi bien grand public que médicales. / CMOS image sensors are rapidly gaining momentum in high end applications. Some emerging markets like medical imaging applications are focused on hardening against ionizing radiation. Design solutions currently exist to mitigate the effects of these degradations. However, they may introduce additional limitations on pixel performances. In this context, this thesis proposes an innovative solution of hardening by process against ionization effects. It suggests using hole pinned photodiode pixels to mitigate the dark current degradation: one of the most severely impacted parameter during ionizing radiation. This study is first focused on the modeling and understanding of dark current variation on standard CMOS sensors before and after irradiation. Next, a sensor integrating hole-based 1.4 micron pixels is proposed and demonstrated. Dark current performances induced by interfaces contribution are promising before irradiation. A direct comparison under irradiation between hole and electron based sensors with similar design has been carried out. These experiments show a significant reduction in dark current at high doses. Ways of improvement are proposed to enhance the quantum efficiency of this sensor, the main area for improvement as well consumer as medical applications.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soitpour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteursinfrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domainedu visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectrevisible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domainede l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un boncandidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’unebande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opérationcryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : ils’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Cephénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode).En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporellequi va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, oude la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sontétudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation dessources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’atténuer. / Imaging has always been an interesting field, all the more so as it is nowpossible to see further than human eyes in the infrared and ultraviolet spectra. For each fieldof application, materials are more or less adapted : in order to capture visible light, Siliconis a good candidate, because it has been widely studied, and is also used in our everydaylife. Concerning the infrared, more particularly the MWIR spectral band, InSb has provedto be stable and reliable, even if it need to operate at cryogenic temperatures because ofa narrow bandgap.. In this work, a parasitic signal called Random Telegraph Signal (RTS)which appears in both materials (and also others, such as HgCdTe or InGaAs) is analyzed.This signal comes from the pixel photodiiode and corresponds to a discrete dark currentfluctuation with time, like blinking signals. This can cause detector calibration troubles, orfalse star detection for example. This study aims at characterizing RTS and localize the exactorigin in the photodiode in order to be able to predict or mitigate the phenomenon.