La croissance continue et rapide du trafic de données dans les infrastructures de télécommunications, impose des niveaux de débit de transmission ainsi que de puissance de traitement de l'information, que les capacités intrinsèques des systèmes et microcircuits électroniques ne seront plus en mesure d'assurer à brève échéance : le développement de nouveaux scenarii technologiques s'avère indispensable pour répondre à la demande de bande passante imposée notamment par la révolution de l'internet, tout en préservant une consommation énergétique raisonnable. Dans ce contexte, l'intégration hétérogène fonctionnelle sur silicium de dispositifs photoniques à émission par la surface de type VCSEL utilisant des miroirs large-bandes ultra-compacts à cristaux photoniques constitue une stratégie prometteuse pour surmonter l'impasse technologique actuelle, tout en ouvrant la voie à un développement rapide d'architectures et de systèmes de communications innovants dans le cadre du mariage entre photonique et micro-nano-électronique.

Microelectronics has shaped the world beyond what was thought possible at the time of its advent. One area of current research in this field is on the solid-state Si:P-based quantum computer (QC). In this machine, each qubit requires an individually addressed fast control-pulse for non-adiabatic drive and measure operations. Additionally, it is increasingly becoming important to be able to interface nanoelectronics with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technology. In this work, I have designed and demonstrated full-custom mixed-mode and full-digital fast control-pulse generators fabricated in a silicon-on-sapphire (SOS) CMOS commercial foundry process ?? a radio-frequency (RF) CMOS technology. These circuits are, fundamentally, fast monostable multivibrators. Initially, after the design specifications were decided upon, I characterized NFET and PFET devices and a n+-diffusion resistor from 500 nm and 250 nm commercial SOS-CMOS processes. Measuring their conductance curves at 300 300 K, 4.2 2 K, and sub-K (30 30 mK base to 1000 1000 mK) showed that they function with desirable behaviour although exhibiting some deviations from their 300 300 K characteristics. The mixed-mode first generation control-pulse generator was demonstrated showing that it produced dwell-time adjustable pulses with 100 100 ps rise-times at 300 K, 4.2 2 K, and sub-K with a power dissipation of 12 12 uW at 100 100 MHz. The full-digital second generation control-pulse generator was demonstrated showing accurately adjustable dwell-times settable via a control-word streamed synchronously to a shift-register. The design was based on a ripple-counter with provisions for internal or external clocking. This research has demonstrated that SOS-CMOS technology is highly feasible for the fabrication of control microelectronics for a Si:P-based QC. I have demonstrated full-custom SOS-CMOS mixed-mode and full-digital control circuits at 300 300 K, 4.2 2 K, and sub-K which suitable for qubit control.

Les capteurs d'images en technologie CMOS se sont fortement développés grâce à l'avènement du multimédia à la fin des années 1990. Leurs caractéristiques optiques, ainsi que leur coût, les ont, en effet, destinés au marché “grand public”. Ces capteurs intègrent des fonctions analogiques et/ou numériques qui permettent la mise en œuvre de traitements au sein du pixel, autour du pixel, pour un groupe de pixels, en bout de colonne. Jusqu’à présent, les traitements intégrés dans le capteur sont de nature linéaire et consistent en général à réaliser des convolutions. Si ces traitements sont incontournables dans une chaîne de vision, ils sont toutefois limités et ne permettent pas à eux seuls de réaliser une application complexe du type reconnaissance d’objets dans une scène naturelle. Pour cela, des traitements non-linéaires associés à des classifieurs haut-niveau permettent de compléter les traitements linéaires en vue de répondre aux contraintes d’une application complexe. Dans ce contexte, nous montrons que les approches “mathématique-inspirées” et “neuro-inspirées” nécessitent toutes deux l'emploi de traitements non-linéaires basés sur les opérateurs "min" et "max". De ce fait, nous proposons un modèle architectural permettant d'intégrer dans le plan focal les traitements non-linéaires. Ce modèle est basé sur une topologie de PEs 4-connexes et présente un double avantage par rapport aux solutions classiques. D'une part pour ce qui concerne l'augmentation de la vitesse d'exécution des traitements non linéaires mais aussi pour les aspects de réduction de la consommation qui sont liés aux nombres d'accès aux mémoires externes dans le cas des systèmes numériques. Le circuit NLIP (Non Linear Image processing) qui a été conçu durant cette thèse comporte 64 x 64 pixels associés à 64 x 64 processeurs analogiques élémentaires. Chaque pixel a une taille de 40 m de côté et présente un facteur de remplissage de 18% ce qui garantit une bonne sensibilité. La fabrication du circuit a été réalisée en technologie CMOS 0.35 m et les tests fonctionnels réalisés ont permis de valider le modèle de rétine proposé / CMOS images sensors have grown significantly since the late 1990s in connection with the huge developments of multimedia applications. Their optical characteristics, as well as their cost, have, in fact targeted for the consumer market. These sensors include analog and / or digital functions that allow the implementation of treatments within the pixel around the pixel, for a group of pixels in the end of column. Until now, processing inside the sensor.Until now, image processing inside the CMOS sensor are linear and based on convolutions. If these treatments are essential in a chain of vision, they are however limited and do not allow themselves to make a complex application like objects recognition in a natural scene. For this, non-linear associated with high-level classifiers can complete linear processing to meet the demands of a complex application. In this context, we show that “mathematically inspired” and “neuron-inspired” approaches both require the use of non-linear operators based on the “min” and “max” treatments. Therefore, we propose an architectural model for integrating non-linear processes in the focal plane. This model is based on a topology of “4-connected” PE and has two advantages over conventional solutions. Firstly with regard to increasing the speed of execution of nonlinear treatments but also aspects of reduced consumption are related to access to external memory in the case of digital based systems. The NLIP circuit (Non Linear Image Processing), which was designed during this thesis has 64 x 64 pixels associated with 64 x 64 elementary analog processors. Each pixel has a size of 40 m from the side and has a fill factor of 18%, which ensures a good sensitivity. The fabrication of the circuit was carried out in CMOS technology 0.35 m and functional tests were used to validate the proposed model retina

The temperature sensor design discussed in this thesis, is meant mainly to monitor temperature at power outlets. Current variations in power cords have a direct impact on the surrounding temperature. Sensing these variations ,enables us to take necessary measures to prevent any hazards due to temperature rise. Thus, for this application we require a sensor with a moderate temperature error (_10C) over a sensing range of -200C to 1500C. Low power consumption and simple digitizing scheme alleviate measurement errors due to self heating effects of the sensor. A current starved inverter based ring oscillator was chosen for the sensor design in 130nm technology. The inverter delay variation with temperature is used for sensing. Linearity and process invariancy of these characteristics are fundamental to the sensor design. We observed through simulations, and confirmed by mathematical analysis, that the sensing characteristics are governed by bias current dependence on temperature. Control voltage for the bias circuitry of the oscillator determines current through the inverter stages. Hence, for linear sensing characteristics, a control voltage(Vc) just above the maximum threshold voltage of bias transistor is used. This enables generation of PTAT saturation current for current starved inverters, due to dominance of threshold voltage decrease with temperature over mobility decrease. I.Another limitation, process dependency of the sensing characteristics, was overcome through the proposed calibration based compensation technique. A changing Vc proportional to threshold voltage variation with process, process independent bias current and current temperature characteristics were obtained. This compensated for the process variation effects on frequency. Thus, a variable Vc was generated using a reference with low temperature sensitivity of 17.6_V=0C, and resistive divider combinations for various processes. Incorporating this compensation technique we achieved good linearity in sensor characteristics and a maximum temperature error of± 1.60C over the sensing range. The sensor consumes a low power of 0.29mW and also occupies minimal area.

En exploitant la fonction d’amplification intrinsèque fournie par les transistors UTBB FDSOI, nous avons présenté des ISFET ultra sensibles. L'intégration de la fonctionnalité de détection a été réalisée en back end of line (BEOL), ce qui offre les avantages d'une fiabilité et d'une durée de vie accrues du capteur, d'une compatibilité avec le processus CMOS standard et d'une possibilité d'intégration d'un circuit diviseur capacitif. Le fonctionnement des MOSFETs, sans une polarisation appropriée de la grille avant, les rend vulnérables aux effets de grilles flottantes indésirables. Le circuit diviseur capacitif résout ce problème en polarisant la grille avant tout en maintenant la fonctionnalité de détection sur la même grille par un couplage capacitif au métal commun du BEOL. Par conséquent, le potentiel au niveau du métal BEOL est une somme pondérée du potentiel de surface au niveau de la grille de détection et de la polarisation appliquée au niveau de la grille de contrôle. Le capteur proposé est modélisé et simulé à l'aide de TCAD-Sentaurus. Un modèle mathématique complet a été développé. Il fournit la réponse du capteur en fonction du pH de la solution (entrée du capteur) et des paramètres de conception du circuit diviseur capacitif et du transistor UTBB FDSOI. Dans ce cas, des résultats cohérents ont été obtenus des travaux de modélisation et de simulation, avec une sensibilité attendue de 780 mV / pH correspondant à un film de détection ayant une réponse de Nernst. La modélisation et la simulation du capteur proposé ont également été validées par une fabrication et une caractérisation du capteur de pH à grille étendue avec validation de son concept. Ces capteurs ont été développés par un traitement séparé du composant de détection de pH, qui est connecté électriquement au transistor uniquement lors de la caractérisation du capteur. Ceci permet une réalisation plus rapide et plus simple du capteur sans avoir besoin de masques et de motifs par lithographie. Les capteurs à grille étendue ont présenté une sensibilité de 475 mV/pH, ce qui est supérieur aux ISFET de faible puissance de l'état de l’art. Enfin, l’intégration de la fonctionnalité de détection directement dans le BEOL des dispositifs FDSOI UTBB a été poursuivie. Une sensibilité expérimentale de 730 mV/pH a été obtenue, ce qui confirme le modèle mathématique et la réponse simulée. Cette valeur est 12 fois supérieure à la limite de Nernst et supérieure aux capteurs de l'état de l’art. Les capteurs sont également évalués pour la stabilité, la résolution, l'hystérésis et la dérive dans lesquels d'excellentes performances sont démontrées. / Exploiting the intrinsic amplification feature provided by UTBB FDSOI transistors, we demonstrated ultrahigh sensitive ISFETs. Integration of the sensing functionality was made in the BEOL which gives the benefits of increased reliability and life time of the sensor, compatibility with the standard CMOS process, and possibility for embedding a capacitive divider circuit. Operation of the MOSFETs without a proper front gate bias makes them vulnerable for undesired floating body effects. The capacitive divider circuit addresses these issues by biasing the front gate simultaneously with the sensing functionality at the same gate through capacitive coupling to a common BEOL metal. Therefore, the potential at the BEOL metal would be a weighted sum of the surface potential at the sensing gate and the applied bias at the control gate. The proposed sensor is modeled and simulated using TCAD-Sentaurus. A complete mathematical model is developed which provides the output of the sensor as a function of the solution pH (input to the sensor), and the design parameters of the capacitive divider circuit and the UTBB FDSOI transistor. In that case, consistent results have been obtained from the modeling and simulation works, with an expected sensitivity of 780 mV/pH corresponding to a sensing film having Nernst response. The modeling and simulation of the proposed sensor was further validated by a proof of concept extended gate pH sensor fabrication and characterization. These sensors were developed by a separated processing of just the pH sensing component, which is electrically connected to the transistor only during characterization of the sensor. This provides faster and simpler realization of the sensor without the need for masks and patterning by lithography. The extended gate sensors showed 475 mV/pH sensitivity which is superior to state of the art low power ISFETs. Finally, integration of the sensing functionality directly in the BEOL of the UTBB FDSOI devices was pursued. An experimental sensitivity of 730 mV/pH is obtained which is consistent with the mathematical model and the simulated response. This is more than 12-times higher than the Nernst limit, and superior to state of the art sensors. Sensors are also evaluated for stability, resolution, hysteresis, and drift in which excellent performances are demonstrated.

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L’intégration ultime de convertisseurs à découpage repose sur deux axes de recherche. Le premier axe est de développer les convertisseurs à capacités commutées. Cette approche est compatible avec une intégration totale sur silicium, mais limitée en terme de densité de puissance. Le second axe est l’utilisation de convertisseurs à inductances, qui pâtissent d’imposants composants passifs. Une augmentation de la fréquence permet de réduire les valeurs des composants passifs. Cependant une augmentation de la fréquence implique une augmentation des pertes par commutation, ce qui est contrebalancé par l’utilisation d’une technologie de fabrication plus avancée. Ces technologies plus avancées souffrent quant à elles de limitations au niveau de leur tension d’utilisation. Convertir une tension de 3,3V vers une tension de 1,2V apparait donc comme un objectif ambitieux, particulièrement dans le cas où les objectifs de taille minimale et de rendement supérieur à 90 % sont visés. Un assemblage 3D des composants actifs et passifs permet de minimiser la surface du système. Un fonctionnement à haute fréquence est aussi considéré, ce qui permet de réduire les valeurs requises pour les composants passifs. Dans le contexte de l’alimentation « on-chip », la technologie silicium est contrainte par les fonctions numériques. Une technologie 40 nm CMOS de type « bulk » est choisie comme cas d’étude pour une tension d’entrée de 3,3 V. Les transistors 3,3 V présentent une figure de mérite médiocre, les transistors 1,2 V sont donc choisis. Ce choix permet en outre de présenter une meilleure compatibilité avec une future intégration sur puce. Une structure cascode utilisant trois transistors en série est étudiée est confrontée à une structure standard à travers des simulations et mesures. Une fréquence de +100MHz est choisie. Une technologie de capacités en tranchées est sélectionnée, et fabriquée sur une puce séparée qui servira d’interposeur et recevra la puce active et les inductances. Les inductances doivent être aussi fabriquées de manière intégrée afin de limiter leur impact sur la surface du convertisseur. Ce travail fournit un objet contenant un convertisseur de type Buck à une phase, avec la puce active retournée (« flip-chip ») sur l’interposeur capacitif, sur lequel une inductance est rapportée. Le démonstrateur une phase est compatible pour une démonstration à phases couplées. Les configurations standard et cascode sont comparées expérimentalement aux fréquences de 100 MHz et 200 MHz. La conception de la puce active est l’élément central de ce travail, l’interposeur capacitif étant fabriqué par IPDiA et les inductances par Tyndall National Institute. L’assemblage des différents sous-éléments est réalisé via des procédés industriels. Un important ensemble de mesures ont été réalisées, montrant les performances du convertisseur DC-DC délivré, ainsi que ses limitations. Un rendement pic de 91,5 % à la fréquence de 100 MHz a été démontré. / Ultimate integration of power switch-mode converter relies on two research paths. One path experiments the development of switched-capacitor converters. This approach fits silicon integration but is still limited in term of power density. Inductive DC-DC architectures of converters suffer by the values and size of passive components. This limitation is addressed with an increase in frequency. Increase in switching losses in switches leads to consider advanced technological nodes. Consequently, the capability with respect to input voltage is then limited. Handling 3.3 V input voltage to deliver an output voltage in the range 0.6 V to 1.2 V appears a challenging specification for an inductive buck converter if the smallest footprint is targeted at +90 % efficiency. Smallest footprint is approached through a 3D assembly of passive components to the active silicon die. High switching frequency is also considered to shrink the values of passive components as much as possible. In the context of on-chip power supply, the silicon technology is dictated by the digital functions. Complementary Metal-Oxide- Semiconductor (CMOS) bulk C40 is selected as a study case for 3.3 V input voltage. 3.3 V Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET) features poor figure of merits and 1.2 V standard core, regular devices are preferred. Moreover future integration as an on-chip power supply is more compatible. A three-MOSFET cascode arrangement is experimented and confronted experimentally to a standard buck arrangement in the same technology. The coupled-phase architecture enables to reduce the switching frequency to half the operating frequency of the passive devices. +100MHz is selected for operation of passive devices. CMOS bulk C40 offers Metal-Oxide-Metal (MOM) and MOS capacitors, in density too low to address the decoupling requirements. Capacitors have to be added externally to the silicon die but in a tight combination. Trench-cap technology is selected and capacitors are fabricated on a separate die that will act as an interposer to receive the silicon die as well as the inductors. The work delivers an object containing a one-phase buck converter with the silicon die flip-chipped on a capacitor interposer where a tiny inductor die is reported. The one-phase demonstrator is suitable for coupled-phase demonstration. Standard and cascode configurations are experimentally compared at 100 MHz and 200 MHz switching frequency. A design methodology is presented to cover a system-to-device approach. The active silicon die is the central design part as the capacitive interposer is fabricated by IPDiA and inductors are provided by Tyndall National Institute. The assembly of the converter sub-parts is achieved using an industrial process. The work details a large set of measurements to show the performances of the delivered DC/DC converters as well as its limitations. A 91.5% peak efficiency at 100MHz switching frequency has been demonstrated.

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Time-Resolved diffuse optics is a powerful and safe technique to quantify the optical properties (OP) for highly scattering media such as biological tissues. The OP values are correlated with the compositions of the measured objects, especially for the tissue chromophores such as hemoglobin. The OP are mainly the absorption and the reduced scattering coefficients that can be quantified for highly scattering media using Time-Resolved Diffuse Optical Spectroscopy (TR-DOS) systems. The OP can be retrieved using Time-Resolved Diffuse Optical Imaging (TR-DOI) systems to reconstruct the distribution of the OP in measured media. Therefore, TR-DOS and TR-DOI can be used for functional monitoring of brain and muscles, and to diagnose some diseases such as detection and localization for breast cancer and blood clot. In general, TR-DOI systems are non-invasive, reliable, and have a high temporal resolution. TR-DOI systems have been known for their complexity, bulkiness, and costly equipment such as light sources (picosecond pulsed laser) and detectors (single photon counters). Also, TR-DOI systems acquire a large amount of data and suffer from the computational cost of the image reconstruction process. These limitations hinder the usage of TR-DOI for widespread potential applications such as clinical measurements. The goals of this research project are to investigate approaches to eliminate two main limitations of TR-DOI systems. First, building TR-DOS systems using custom-designed free-running (FR) and time-gated (TG) SPAD detectors that are fabricated in low-cost standard CMOS technology instead of the costly photon counting and timing detectors. The FR-TR-DOS prototype has demonstrated comparable performance (for homogeneous objects measurements) with the reported TR-DOS prototypes that use commercial and expensive detectors. The TG-TR-DOS prototype has acquired raw data with a low level of noise and high dynamic range that enable this prototype to measure multilayered objects such as human heads. Second, building and evaluating TR-DOI prototype that uses a computationally efficient algorithm to reconstruct high quality 3D tomographic images by analyzing a small part of the acquired data. This work indicates the possibility to exploit the recent advances in the technologies of silicon detectors, and computation to build low-cost, compact, portable TR-DOI systems. These systems can expand the applications of TR-DOI and TR-DOS into several fields such as oncology, and neurology. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD)

Depuis l'invention du transistor MOS à effet de champ dans les années 60, l'exploitation de cette brique élémentaire a permis une évolution exponentielle du domaine de la microélectronique, avec une course effrénée vers la miniaturisation des dispositifs électroniques CMOS. Dans ce contexte, l'introduction des oxydes "high-κ" (notamment HfO2) a permis de franchir la barrière sub-nanométrique de l'EOT (Equivalent Oxide Thickness) pour l’oxyde de grille. Les travaux actuels concernent notamment la recherche de matériaux "high-κ" et de procédés qui permettraient d'avoir une interface abrupte, thermodynamiquement stable avec le silicium, pouvant conduire à des EOTs de l'ordre de 5Å. L’objectif de cette thèse, était d’explorer le potentiel de l’oxyde LaAlO3 amorphe déposé sur silicium par des techniques d’Épitaxie par Jets Moléculaires, en combinant des études sur les propriétés physico-chimiques et électriques de ce système. Le travail de thèse a d’abord consisté à définir des procédures d'élaboration sur Si de couches très minces (≈4nm), robustes et reproductibles, afin de fiabiliser les mesures électriques, puis à optimiser la qualité électrique des hétérostructures en ajustant les paramètres de dépôt à partir de corrélations entre résultats électriques et propriétés physico-chimiques (densité, stœchiométrie, environnement chimique…) et enfin à valider un procédé d'intégration du matériau dans la réalisation de MOSFET. La stabilité et la reproductibilité des mesures ont été atteintes grâce à une préparation de surface du substrat adaptée et grâce à l'introduction d'oxygène atomique pendant le dépôt de LaAlO3, permettant ainsi une homogénéisation des couches et une réduction des courants de fuite. Après optimisation des paramètres de dépôt, les meilleures structures présentent des EOTs de 8-9Å, une constante diélectrique de 16 et des courants de fuite de l'ordre de 10-2A/cm². Les caractérisations physico-chimiques fines des couches par XPS ont révélé des inhomogénéités de composition qui peuvent expliquer que le κ mesuré soit inférieur aux valeurs de LaAlO3 cristallin (20-25). Bien que les interfaces LAO/Si soient abruptes après le dépôt et que LaAlO3 soit thermodynamiquement stable vis-à-vis du silicium, le système LAO amorphe /Si s’est révélé instable pour des recuits post-dépôt effectués à des températures supérieures à 700°C. Un procédé de fabrication de MOSFETs aux dimensions relâchées a été défini pour tester les filières high-κ. Les premières étapes du procédé ont été validées pour LaAlO3. / Since MOS Field Effect Transistor invention in the 60's, the exploitation of this elementary piece of technology allowed an exponential evolution in the microelectronic field, with a frantic race towards miniaturization of CMOS electronic devices. In this context, the introduction of "high-κ" oxides (notably HfO2) allowed to cross the sub-nanometer barrier of EOT (Equivalent Oxide Thickness) for the gate oxide. Current work are notably related to "high-κ" research materials and processes that would allow an abrupt and thermodynamically stable interface with respect to silicon, that may lead to EOTs of about 5Å. The purpose of this thesis was to explore the potential of amorphous oxide LaAlO3 deposited on silicon by techniques of molecular beam epitaxy, combining studies of the physicochemical and electrical properties of this system. The thesis work has first consisted in defining procedures for the preparation of very thin (≈ 4 nm), robust and reproducible layers on Si in order to allow reliable electrical measurements then to optimize the electrical quality of the hetero-structures by adjusting deposition parameters from correlations between electrical results and physicochemical properties (density, stoichiometry, chemical environment...) and finally to validate a method for integrating the material in the realization of MOSFET. The stability and reproducibility of the measurements were achieved thanks to an adapted surface preparation of the substrate and by the introduction of atomic oxygen during the LaAlO3 deposition, thus allowing homogenization of layers and reducing leakage currents. After optimizing the deposition parameters, the best structures exhibit EOTs of 8-9 A, a dielectric constant of 16 and leakage currents in the range of 10-2 A/cm². Accurate physico-chemical characterizations of thin layers by XPS revealed composition inhomogeneities that can explain why the measured κ is less than values of crystalline LaAlO3 (20-25). Although the LAO/Si interfaces are steep after deposition and LaAlO3 is thermodynamically stable with respect to the silicon, amorphous system LAO/Si has proven unstable during post-deposition annealing carried out at temperatures above 700 ° C. A process for producing MOSFETs with released dimensions was defined to test high-κ field. The first stages of the process have been validated for LaAlO3.