Le développement et l'amélioration de l'instrumentation biomédicale se veulent une miniaturisation des équipements se trouvant dans les laboratoires médicaux standards. Cette miniaturisation est souhaitée pour une production à plus grande échelle, permettant ainsi d'avoir une réduction des coûts relatifs à la détection et à la prévention de maladies et aussi permettre une disponibilité accrue. La détection de la fluorescence est une technique couramment employée dans le domaine médical afin de pouvoir déterminer la présence de pathogènes. Les systèmes de détection de fluorescence requièrent une bonne gestion entre la lumière excitant les marqueurs fluorescents et la fluorescence dégagée de ces derniers. Ce projet de recherche propose le développement de briques technologiques servant dans un système hautement intégré de détection de fluorescence. La première brique technologique développée a été un filtre optique hybride combinant un filtre de type interférentiel et un filtre de type absorbant pour une épaisseur totale de 3 [micro]m. Le filtre interférentiel est composé d'une alternance de couches diélectriques TiO[indice inférieur 2/SiO[indice inférieur 2] pour un total de neuf couches offrant une atténuation de 16,6 dB pour une longueur d'onde d'excitation de 532 nm. Ces couches diélectriques sont déposées soit par évaporation par faisceaux d'électrons ou bien par pulvérisation cathodique, tous deux des procédés standards en microfabrication. Le filtre absorbant est quant à lui une photorésine colorée permettant son dépôt par étalement rotatif. L'atténuation à 532 nm pour le filtre absorbant est de l'ordre de 32,6 dB. La réjection totale pour le filtre hybride atteint 47 dB, une performance jamais publiée pour un filtre de cette épaisseur. En parallèle, le développement de la seconde brique technologique a été entamé et concerne la photodétection. L'élément de photodétection doit être sensible aux longueurs d'onde d'intérêts de la détection de la fluorescence. La photodiode à multiples jonctions p-n enterrées conçu avec un procédé microélectronique standard permet la discrimination spectrale. Cette discrimination spectrale est obtenue avec un traitement mathématique approprié et appliqué sur la mesure des photocourants. Une simulation de type semiconducteur est venue corroborer les résultats expérimentaux. Les mesures expérimentales ont été réalisées à l'aide d'une station de caractérisation sous pointes entièrement conçue et montée au cours du projet de doctorat. Une fois que les deux briques technologiques étaient rendues à un niveau de maturité, le développement de procédés de microfabrication a permis de réaliser une preuve de concept sur la cohabitation de ces technologies. Le développement de procédé a été réalisé en considérant une éventuelle intégration d'un canal microfluidique pour compléter le système intégré. Ce projet de recherche a permis de développer un nouveau type de filtre optique combinant deux technologies afin de profiter des avantages de chacune d'elle. Le projet de recherche a également permis la conception de deux circuits microélectroniques contenant des photodiodes innovantes servant à l'identification spectrale, champs d'application pour l'utilisation de multimarqueurs fluorescents. Le travail sur l'intégration de ces deux briques a permis d'entamer un transfert technologique vers un partenaire industriel oeuvrant dans le domaine de la microfabrication et des procédés microélectronique.

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

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