No description available.

Ce mémoire présente les améliorations suggérées au scanneur de tomographie optique diffuse du groupe TomOptUS de l'Université de Sherbrooke. La tomographie optique diffuse est une modalité d'imagerie qui permet d'utiliser la lumière dans le proche infrarouge (650 - 950 nm) pour faire l'imagerie en profondeur (> 1 cm) de petits animaux comme des souris. Cette technique est très intéressante en pharmacologie et en oncologie où elle permet de faire le suivi de médicaments ou de la progression d'une pathologie. Elle permet également de réduire le nombre de sacrifices d'animaux, puisqu'elle est non-invasive. Il est donc possible de faire un suivi dans le temps de l'objet sous étude. Cette technique fonctionne aussi en fluorescence et permet donc d'utiliser différents agents pour faire le marquage d'objets d'intérêt dans l'animal. Ce scanneur fonctionne dans le domaine temporel et acquiert le temps de vol des photons qui ont traversé le sujet pour reconstruire l'impulsion laser via le comptage de photons corrélé en temps avec une source laser ultrarapide. Le présent scanneur utilise 7 canaux de détection sans contact positionnés en anneau autour du sujet. Ce nombre est présentement trop faible pour avoir un temps d'acquisition satisfaisant. Il a été déterminé que le facteur limitant est la rotation mécanique des canaux autour du sujet pour obtenir une couverture angulaire satisfaisante. Pour réduire le temps d'acquisition, il a été suggéré d'augmenter le nombre de canaux jusqu'à 32 voire 64. Toutefois, les présents canaux utilisent des tubes photomultiplicateurs qui sont trop volumineux pour une telle densité de détecteurs autour de l'animal. Des photodiodes à avalanches ont donc été envisagées pour les remplacer, puisqu'elles sont moins volumineuses, en plus d'offrir une meilleure efficacité quantique et une meilleure précision temporelle. Ceci les rend particulièrement efficaces pour le comptage de photons. Ces photodiodes ont cependant une zone photosensible avec un diamètre considérablement plus petit que les tubes photomultiplicateurs (25 - 100 μm comparativement à ≈ 1 cm pour les tubes photomultiplicateurs). Ceci réduit le taux de comptage, ainsi que le ratio signal sur bruit et rend l'alignement difficile. Le présent projet est donc d'optimiser les canaux de détection incorporant ces photodiodes à avalanches. Une analyse des paramètres et des contraintes a d'abord été faite pour cibler les spécifications optimales des canaux. Ensuite, plusieurs concepts optiques sont présentés et analysés qui offrent des performances optimales avec un taux de comptage maximal. Ces nouveaux canaux utilisent des lentilles d'immersion comme concentrateurs optiques. Ces lentilles hémisphériques peuvent atteindre un rapport de concentration de ≈ n², ce qui correspond dans le cas présent à ≈ 4. Ceci se traduit en une augmentation du taux de comptage et du rapport signal sur bruit du même rapport. L'installation et l'alignement de ces lentilles d'immersion sur les photodiodes à avalanches dans un module sur mesure ont ensuite été réalisés et la confirmation expérimentale de cette augmentation du taux de comptage a été démontrée avec des mesures intrinsèques et en fluorescence. Cette augmentation expérimentale est appuyée par des simulations Zemax qui sont en excellent accord avec l'expérimental. Finalement, la confirmation que ces lentilles n'affectent pas la précision temporelle des photodiodes a été obtenue expérimentalement. / This dissertation showcases the improvements suggested for the diffuse optical tomography scanner of the TomOptUS group at Université de Sherbrooke. Diffuse optical tomography is an imaging modality that uses near infrared light (650 - 950 nm) to image small animals such as mice in depth (> 1 cm). This technique is very interesting for pharmacology or oncology where it can be used to track medicine or the progress of pathology. It also decreases the number of necessary sacrifices since it is a non-invasive technique. The temporal progress of the object under consideration can, in that case, be acquired with ease. This technique can also be used with fluorescent agents to track different objects of interest in the animal. This scanner works in time domain where the time of flight of individual photons that propagated through the subject is registered to reconstruct the laser pulse via time-correlated single photon counting with an ultra-fast laser source. The current scanner uses 7 no-contact detection channels positioned in a ring around the subject. This number of channels is too low to obtain a satisfying acquisition time. It was determined that the limiting factor is the need to mechanically rotate the channels around the subject to obtain the necessary angular coverage. To reduce the acquisition time, it was suggested to increase the number of detection channels to 32 or even 64. However, the current channels use photomultiplier tubes which are too bulky to be used with such a high density of detectors. Single photon avalanche diodes have been considered to replace them because of their relative small size, excellent temporal resolution, and better quantum efficiency. These characteristics make them especially efficient for photon counting. These photodiodes, however, have a photosensitive surface with a very small diameter compared to the photomultiplier tubes (25 - 100 μm compared to ≈ 1 cm for photomultiplier tubes). This reduces the photon count rate, lowers the signal to noise ratio, and makes the alignment difficult. The goal of this project is to optimize the design of new detection channels that use these single photon avalanche diodes. A primary analysis of the parameters and constraints on the system was first conducted to pinpoint the optimal parameters. Several optical designs are then presented and analyzed. These channels can achieved a maximum photon count rate with the use of immersion lenses. These immersion lenses act as optical concentrators and achieve a concentration ratio of ≈ n² which is ≈ 4 in our case. This translates to an increase in the photon count rate and signal to noise ratio of the same ratio. The affixing of the immersion lens on a custom photodiode module was then performed and the experimental confirmation of the increase in photon count was obtained with intrinsic and fluorescence measurements. This experimental increase is supported with Zemax simulations which are in good agreement with the experiments. Finally, it was experimentally confirmed that those immersion lenses do not affect the excellent temporal resolution of the single photon avalanche diodes.

L’imagerie infrarouge refroidie est portée par une demande forte pour des applications dans les secteurs militaire, industriel et spatial. Les enjeux actuels de ce marché sont le fonctionnement à haute température et la fonctionnalisation spectrale des détecteurs.Ces enjeux peuvent être adressés grâce à l’utilisation de résonateurs optiques et leur faculté à concentrer le champ électromagnétique. Ce travail de thèse montre comment des résonateurs plasmoniques peuvent être intégrés dans la filière HgCdTe.La théorie temporelle des modes couplés a été utilisée, de manière analytique, pour optimiser à travers la condition de couplage critique, l’absorption dans un résonateur plasmonique chargé par un semiconducteur. La conception d’une photodiode HgCdTe ultramince plasmonique est ensuite détaillée. Elle repose sur l’utilisation d’un mode optique résultant du couplage entre un mode plasmon de surface et un mode gap plasmon de cavité / The market for cooled infrared imaging technologies is growing fast due to a range of applications covering military, commercial and space. Current research for innovative systems focuses on high operating temperature and multispectral detectors.To achieve these aims, optical resonators can be used to concentrate electromagnetic fields in thin absorbing media. This thesis investigates the possibility of using plasmonic resonators for HgCdTe photodetection.Temporal coupled-mode theory is used to optimise analytically the absorption in a plasmonic resonator incorporating an absorbing semiconductor subject to the critical coupling condition. A design of a thin plasmonic HgCdTe diode is then described. This includes a hybrid plasmonic mode arising from the coupling between a surface plasmon and a cavity gap-plasmon mode

Le carbure de silicium est un matériau semi-conducteur à grande bande d’énergie interdite possédant des propriétés exceptionnelles en termes de tenue en température, de résistance aux radiations, de stabilité chimique. En particulier il pourrait permettre la réalisation de détecteurs ultra-violet fonctionnant en environnement extrême (fortes températures et niveaux de radiations élevés) tels les environnements spatiaux. Le polytype 3C, avec un gap intermédiaire pourrait également être utilisé dans le domaine photovoltaïque. Le présent travail propose d’étudier le carbure de silicium à la fois sous l’aspect composant et sous l’aspect matériau. Une étude de la réponse spectrale de photodiodes UV (de type pn et Schottky) en fonction de la température et de l’irradiation est présentée. Un nouveau type de cellules solaires à hétérojonctions 3C-SiC/Si est étudié. Enfin, un système de mesure de la durée de vie des porteurs minoritaires dans le SiC-4H est réalisé et les résultats commentés. / Silicon carbide is a large bandgap semiconductor presenting outstanding properties in terms of temperature, radiations and chemical hardness. In particular it could allow the fabrication of ultra-violet detectors, able to work in harsh environments such as for space aplications. The 3C polytype , with it’s intermediate bandgap, could also be used in the photovoltaic field. The present work aims to study both the material and the application aspects of silicon carbide. A study of the spectral response of both pn and Schottky photodiodes with respect to the temperature and irradiation is presented. A new type of 3C-SiC/Si heterojunction solar cell is studied. Finally, a minority carrier lifetime measurement system is realised ant the results presented.

La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil précieux en recherche préclinique et pour le diagnostic médical. Cette technique permet d'obtenir une image quantitative de fonctions métaboliques spécifiques par la détection de photons d'annihilation. La détection des ces photons se fait à l'aide de deux composantes. D'abord, un scintillateur convertit l'énergie du photon 511 keV en photons du spectre visible. Ensuite, un photodétecteur convertit l'énergie lumineuse en signal électrique. Récemment, les photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP) disposées en matrice suscitent beaucoup d'intérêt pour la TEP. Ces matrices forment des détecteurs sensibles, robustes, compacts et avec une résolution en temps hors pair. Ces qualités en font un photodétecteur prometteur pour la TEP, mais il faut optimiser les paramètres de la matrice et de l'électronique de lecture afin d'atteindre les performances optimales pour la TEP. L'optimisation de la matrice devient rapidement une opération difficile, car les différents paramètres interagissent de manière complexe avec les processus d'avalanche et de génération de bruit. Enfin, l'électronique de lecture pour les matrices de PAMP demeure encore rudimentaire et il serait profitable d'analyser différentes stratégies de lecture. Pour répondre à cette question, la solution la plus économique est d'utiliser un simulateur pour converger vers la configuration donnant les meilleures performances. Les travaux de ce mémoire présentent le développement d'un tel simulateur. Celui-ci modélise le comportement d'une matrice de PAMP en se basant sur les équations de physique des semiconducteurs et des modèles probabilistes. Il inclut les trois principales sources de bruit, soit le bruit thermique, les déclenchements intempestifs corrélés et la diaphonie optique. Le simulateur permet aussi de tester et de comparer de nouvelles approches pour l'électronique de lecture plus adaptées à ce type de détecteur. Au final, le simulateur vise à quantifier l'impact des paramètres du photodétecteur sur la résolution en énergie et la résolution en temps et ainsi optimiser les performances de la matrice de PAMP. Par exemple, l'augmentation du ratio de surface active améliore les performances, mais seulement jusqu'à un certain point. D'autres phénomènes liés à la surface active, comme le bruit thermique, provoquent une dégradation du résultat. Le simulateur nous permet de trouver un compromis entre ces deux extrêmes. Les simulations avec les paramètres initiaux démontrent une efficacité de détection de 16,7 %, une résolution en énergie de 14,2 % LMH et une résolution en temps de 0.478 ns LMH. Enfin, le simulateur proposé, bien qu'il vise une application en TEP, peut être adapté pour d'autres applications en modifiant la source de photons et en adaptant les objectifs de performances.

Les imageurs à base d’alliage InGaAs sur substrat InP se sont fortement popularisés pour l’imagerie dans le proche infrarouge. La méthode de fabrication de référence est constituée d’une matrice de photodiodes planaires réticulées par diffusion localisée de zinc. Cette approche reste chère du fait d’une méthode d’hybridation individuelle entre circuit de lecture CMOS et circuit de détection. Afin de réaliser des imageurs proche infrarouge bas coût ou de grand format, cette méthode d’hybridation doit donc être revisitée. La solution présentée durant cette thèse est de transférer les structures III-V absorbantes directement sur le circuit de lecture par un collage moléculaire direct suivi d’une fabrication collective des matrices de photodiodes. Cette méthode demande le développement d’une nouvelle architecture pour la connexion électrique au circuit de lecture et la formation de diodes. Elle consiste en la réalisation de via de connexion à partir desquels un dopage localisé est réalisé. On forme alors des diodes circulaires autour de chaque via appelées LoopHoles. Ce dopage dont la température ne doit pas dépasser 400°C est réalisé par diffusion MOVPD. Malgré des phénomènes physiques parasites il a été possible de réaliser dans l’InP et l’InGaAs des jonctions p-n adaptées. Les caractéristiques optoélectroniques de groupes de diodes LoopHoles sur substrat InP et sur matériaux reportés ont ainsi pu être mesurées. / Nowadays short wavelength infrared (SWIR) imaging based on InP/InGaAs photo-diodes is quite popular for uncooled camera. The state of the art technology is a double layer planar heterointerface focal plane array. But, it remains expensive. Its cost comes essentially from the individually hybridization of photo-diodes array with read-out circuit, by the mean of an indium-bumps flip-chip process. We suggest an alternative method for hybridization, in order to lowering the cost and providing a sustainable process to decrease the pixel pitch. It consists in a direct integration by bonding silica of InP/InGaAs/InP structure above a finished read-out circuit (with CMOS technology) and circular diode architecture named “LoopHoles”. This diode consists in via-hole through the III-V materials and bonding silica layer down to top metal layer in the readout circuit for each active pixel. Via-hole is also used to diffuse laterally zinc in III-V layer in order to create p-type doping area. Because of the read-out circuit, temperature of diffusion has to be below 400°C which induces parasitic phenomena’s. We have found that a Hf02 coating on InP surface prevent this degradation while allowing zinc diffusion. We were able to control depth of p-n junction inside InP and InGaAs. We also investigated few steps of the processes like the molecular bonding, via etching and metallization. Finally, we succeeded to produce LoopHole photodiodes on bulk InP and on bonded materials with a high spectral efficiency, low pitch and a lower dark currant of 150 fA at room temperature.

No description available.

<p>Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) is a simple, yet powerful technique that has the potential to offer practical, non-invasive, and cost effective information for op- tical diagnostics and therapeutics guidance. Any progress towards moving DRS systems from their current laboratory settings to clinical settings, field settings and ambitiously to home settings, is a significant contribution to society in terms of reducing ever growing healthcare expenditures of an aging society. Additionally, im- proving on the existing mathematical models used to analyze DRS signals; in terms of speed, robustness, accuracy, and capability in accounting for larger feature space dimensionality (i.e. extraction of more tissue-relevant information) is equally im- portant for real-time diagnosis in the desired settings and to enable use of DRS in as many biomedical applications (e.g. skin cancer diagnosis, diabetics care, tissue oxygenation monitoring) as possible. Improving the reflectance signal complexity and density through novel DRS instrumentation, would facilitate development of the desired models or put the existing ones built on simulations in practical use; which otherwise could not go beyond being a theoretical demonstration.</p><p>DRS studies tissue morphology and composition through quantification of one or more (ideally all of them) of the tissue- and wavelength-specific optical properties: absorption coefficient (μa), reduced scattering coefficient (μ1s), scattering anisotropy (g), tissue thickness, and scattering phase function details (e.g. higher order moments of the scattering phase function). DRS involves sampling of diffusely reflected photons which experience multiple scattering and absorption as they travel within the tissue, at the tissue surface. Spatially resolved diffuse reflectance spectroscopy (SRDRS) is a subset of general DRS technique, which involves sampling of diffuse reflectance signals at multiple distances to an illumination source. SRDRS provides additional spatial information about the photon path; yielding depth-resolved tissue information critical to layered tissue analysis and early cancer diagnostics. Exist- ing SRDRS systems use fiber optic probes, which are limited in accommodation of large number and high-density collection fibers (i.e. yielding more and dense spa- tially resolved diffuse reflectance (SRDR) measurement data) due to difficulty of fiber multiplexing. The circular shape of the fibers restricts the implementable probe ge- ometries and reduces the fill factor for a given source to detector (i.e. collection fiber) separation (SDS); resulting in reduced light collection efficiency. The finite fiber nu- merical aperture (NA) reduces the light collection efficiency well as; and prevents selective interrogation of superficial tissues where most cancers emerge. Addition- ally, SRDR systems using fiber optic probes for photon collection, require one or more photodetectors (i.e. a cooled CCD); which are often expensive components of the systems.</p><p>This thesis deals with development of an innovative silicon SRDRS probe, which partially addresses the challenge of realizing high measurement density, miniaturized, and inexpensive SRDRS systems. The probe is fabricated by conventional, flexible and inexpensive silicon fabrication technology, which demonstrates the feasibility of developing SRDRS probes in any desired geometry and complexity. Although this approach is simple and straightforward, it has been overlooked by the DRS community due to availability of the conventional fiber optic probe technology. This new probe accommodates large number and high density of detectors; and it is in the form of a concentric semi-annular photodiode (PD) array (CMPA) with a central illumination aperture. This is the first multiple source-detector spacing Si SRDRS probe reported to date, and the most densely packed SRDRS probe reported to date for all types of SRDRS systems. The closely spaced and densely packed detectors enable higher density SRDR measurements compared to fiber-based SRDR probes, and the higher PD NA compared to that of fibers results in a higher SNR increasing light collection efficiency. The higher NA of the PDs and the presence of PDs positioned at very short distances from the illumination aperture center enable superficial tissue analysis as well as depth analysis.</p> / Dissertation

Dans le but d'atteindre une température de fonctionnement élevée tout en conservant de fortes exigences sur les performances des photodétecteurs infrarouges, la pression sur la qualité du matériau HgCdTe augmente de plus en plus. En particulier, une attention spéciale est maintenant portée aux contraintes et à leur relaxation des photodiodes HgCdTe. Bien que de récentes études se soient concentrées sur la déformation induite par un désaccord paramétrique sur des surfaces de la taille d'un plaque, aucune étude expérimentale n'a été capable de résoudre la déformation au niveau micrométrique.La limite de résolution spatiale millimétrique typique de la diffraction standard peut être dépassée en utilisant un faisceau synchrotron de rayons X focalisés. En effet, en effectuant des mesures de microdiffraction Laue, nous pouvons cartographier, avec une résolution submicronique, à la fois la contrainte déviatorique locale et l'orientation de la maille. Cette thèse se concentre sur l'analyse de tranchées gravées à l'intérieur des couches de HgCdTe avec des variations sur les étapes de passivation et de recuit. Nous sommes en mesure d'étudier une cartographie précise autour de la gravure et d'apprécier les effets locaux des étapes de traitement. La cartographie de déplacement des pics de diffraction montre la courbure des plans cristallins autour des tranchées gravées, avec une forte dépendance aux étapes technologiques.Ensuite, nous nous concentrons sur la position relative de tous les pics, qui sont mesurés simultanément. En supposant une contrainte bi-axiale entre la couche et le substrat, la pente du déplacement relatif du pic en fonction de leur position fournit directement la valeur de contrainte subie par le matériau. Ainsi, nous mesurons la déformation à travers l'ensemble de l'échantillon avec une précision de 3.10-5 et la cartographions avec une précision de position submicronique.Enfin, nous montrons comment l'utilisation d'un système de flexion 3 points conduit à la détermination expérimentale du seuil de plasticité dans les structures épitaxiées HgCdTe / CdZnTe ainsi qu'à la distribution spatiale de la contrainte appliquée. La dynamique du régime élastique au régime plastique et le comportement de la couche une fois que le seuil plastique est atteint sont étudiés. De plus, l'étape de gravure crée des bords abrupts à l'intérieur de la couche, conduisant à une modification du champ de contrainte en la concentrant sur les angles de la tranchée. / Within the general goal of reaching high operating temperature while maintaining strong requirements on infrared photodetector performances, the pressure on HgCdTe material quality is increasingly growing. In particular, careful attention is now being paid to stress and stress relaxation within HgCdTe photodiodes. While recent studies have focused on the lattice mismatch induced strain over areas in the order of the wafer, no experimental investigation has been able to resolve the strain at the micrometer level.The typical millimetric spatial resolution limit of standard diffraction can be overtaken using a focused synchrotron X-ray white beam. Indeed, by performing Laue microdiffraction measurements, we can map with a sub-micrometer resolution both the local deviatoric strain and lattice orientation. This thesis focuses on the analysis of etched trenches inside HgCdTe layers with variations on passivation and annealing steps. We are able to investigate a precise mapping around the etching and appreciate the local effects of the processing steps. Diffraction peak displacement mapping evidences bending of the crystal planes around etched trenches, with strong dependence upon the processing steps.Then, we focus on the relative position of all the peaks which are measured simultaneously. Assuming a bi-axial strain between layer and substrate, the slope of the peak relative displacement as a function of their position directly provides the strain value undergone by the material. Thus, we measure the strain through the entire sample with a precision of 3.10-5 and map it with a sub-micronic position precision.Finally, we show how the use of a three point calibrated bending set-up leads to the experimental determination of the plasticity threshold in HgCdTe/CdZnTe epitaxial structures together with the spatial distribution of the applied strain. The dynamics from elastic to plastic regime and the layer behavior once the plastic threshold is reached are investigated. Furthermore, the etching step creates abrupt edges inside the layer, leading to a modification of the strain field by concentrating it on the angles of the trench.

Cette thèse, réalisée à l'IES en partenariat avec la société SOFRADIR et le CEA-LETI, avait pour objectif d'évaluer les potentialités du matériau InSb pour la réalisation de photodiodes à avalanche (APD) moyen infrarouge (MWIR). Par l'étude du design (simulations TCAD), de la fabrication technologique en configuration MESA (voie humide, voie sèche, passivation), puis par la caractérisation électrique des dispositifs, ce travail de thèse s'est attaché à explorer l'ensemble des éléments nécessaires au développement de cette filière de photodétecteurs. Les photodiodes InSb fabriquées par épitaxie par jets moléculaires (EJM) ont présenté des densités de courant d'obscurité sur des monoléments de 10 à 30nA/cm² à -50mV et à 77K. Ces performances positionnent ces photodiodes à l'état de l'art pour la filière épi-InSb et souligne ainsi l'excellente qualité cristalline des couches épitaxiées. Les premières APDs InSb ont ensuite été épitaxiées et caractérisées. Avec une pure injection d'électrons nous avons observé une augmentation exponentielle du gain dans l'InSb, signature d'une multiplication initiée exclusivement par les électrons. Un premier gain de 3 à -4V a été mesuré. Cette asymétrie du processus d'ionisation par impact indiquerait la possibilité d'obtenir du gain sans excès de bruit, propriété indispensable pour les applications d'imagerie faible flux visée. A ce stade de l'étude, les performances des APDs InSb sont limitées par un dopage résiduel trop élevé dans les zones de multiplications réalisées, entrainant une forte contribution du courant tunnel bande à bande. Néanmoins, ces travaux fournissent tous les éléments d'orientations nécessaires au développement des APDs InSb dont le point clé est définitivement l'obtention d'un faible dopage résiduel dans la zone de multiplication. / This thesis realized at the IES, with the collaboration of SOFRADIR and the CEA-LETI, had for objective the potential evaluation of the InSb material for the realization of midwave infrared (MWIR) avalanche photodiodes (APD). Studying the design (TCAD modeling), the MESA technological fabrication (wet etching, dry etching, passivation) and analyzing the electrical characterizations of devices fabricated, this work has investigated all the scientific elements necessary for the development of this photodetector technology. The MBE (Molecular Beam Epitaxy) grow InSb photodiodes have shown monopixel dark current density from 10 to 30nA/cm² at -50mV and 77K. These performances are at the state of the art for InSb epi-diodes and highlight the excellent crystal quality of the epitaxial layers. The first InSb APDs were grown and characterized. With a pure electron injection, we have observed an exponential increase of the gain, signature of a single carrier multiplication exclusively initiated by the electrons. A gain value of 3 was measured at -4V. This asymmetrical aspect of the impact ionization process would indicate the possibility to obtain a gain without excess noise. This is fundamental for the intended imaging applications. At this stage, InSb APD performances are limited by a too high residual doping level, resulting in a strong band to band tunneling current. Nevertheless, this work provides all the milestones needed for the InSb APD development where the key point is undoubtedly the getting of low residual doping level in the multiplication layer.