The widespread use of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) devices prompted the need for models to identify challenges and solutions early on in the design process.Hydrogenated amorphous silicon photodiodes are commonly used as sensors in large area scanners. It is possible to describe a-Si:H n-i-p photodiodes using an empirical model, which this dissertation presents. Segmented a-Si:H n-i-p photodiodes of varying sizes were fabricated via plasma enhanced chemical vapor deposition. The dark current-voltage characteristics were then measured at different temperatures. Thecapacitance and the quantum efficiency of the devices were also characterized. Using simple semiconductor device equations and the observed empirical behavior, a model is built with a series of parameterized equations. The forward bias current characteristics are represented by the weighted sum of a low bias exponential relationship and a high bias power law relationship. The reverse bias current is modeled as the sum of the bulk thermal component and the edge leakage component. A linear bias dependent equation is used to represent the diode capacitance and a fourth order polynomial is used to model the quantum efficiency. The devices are characterized and the parameters are extracted from the empirical results. Good agreement has been obtained by comparing the results of the proposed model with the experimental results.

The widespread use of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) devices prompted the need for models to identify challenges and solutions early on in the design process.Hydrogenated amorphous silicon photodiodes are commonly used as sensors in large area scanners. It is possible to describe a-Si:H n-i-p photodiodes using an empirical model, which this dissertation presents. Segmented a-Si:H n-i-p photodiodes of varying sizes were fabricated via plasma enhanced chemical vapor deposition. The dark current-voltage characteristics were then measured at different temperatures. Thecapacitance and the quantum efficiency of the devices were also characterized. Using simple semiconductor device equations and the observed empirical behavior, a model is built with a series of parameterized equations. The forward bias current characteristics are represented by the weighted sum of a low bias exponential relationship and a high bias power law relationship. The reverse bias current is modeled as the sum of the bulk thermal component and the edge leakage component. A linear bias dependent equation is used to represent the diode capacitance and a fourth order polynomial is used to model the quantum efficiency. The devices are characterized and the parameters are extracted from the empirical results. Good agreement has been obtained by comparing the results of the proposed model with the experimental results.

White LEDs (Light Emitting Diodes) in Visible Light Communication (VLC) is an emerging technology that is being researched so it can eventually be used for common communications systems. LEDs have a number of advantages, one of which is long life expectancy. However, like many emerging technologies, VLC has many technical issues that need to be addressed. We proposed an optical indoor wireless communication system that used white LEDs like plug-in devices. We developed a practical implementation of VLC and demonstrated it experimentally. In particular we focused on designing a prototype of VLC that can be used without having to make major changes to the present infrastructure with two types of protocol — namely RS-232 and USB — for data transmission.

Pour établir le comportement pharmacocinétique de nouveaux radiotraceurs en imagerie moléculaire, il est nécessaire d’approfondir l’analyse réalisée à partir d ’une image par l’ajout d’une mesure dynamique de la radioactivité dans le sang. L’Université de Sherbrooke développe présentement une plateforme microfluidique d’échantillonnage et d’analyse permettant la mesure de la radioactivité du plasma en temps réel. L’objectif du présent projet de maîtrise était de réaliser le composant optoélectronique responsable de la détection des positrons et de l’intégrer à la puce microfluidique. L’option retenue a été l’utilisation de photodiodes PIN en silicium. Un procédé de fabrication, ainsi qu’une série de photomasques ont été développés afin de produire une première itération de prototypes. Les détecteurs ont été conçus de manière à optimiser leur sensibilité en fonction du type de rayonnement à détecter. En effet, la région de détection doit être suffisamment épaisse et sensible pour absorber le maximum de particules énergétiques. Également, il est essentiel de minimiser le courant de fuite en noirceur afin d’obtenir un photocourant directement proportionnel à l’énergie des radiations incidentes. Les caractéristiques électriques obtenues avec les premiers détecteurs ont été démontrées proches des performances de détecteurs commerciaux similaires. De plus, il a été possible d’intégrer un canal microfluidique au substrat contenant les photodiodes et d’en réaliser l’encapsulation sans altérer les performances électriques initiales des détecteurs. Une courbe de l’activité radioactive du l8F a été mesurée, celle-ci se comparant à l’activité théorique associée à ce radioisotope communément utilisé en TEP. Enfin, un spectre en énergie des émissions radiatives du 18F a été mesuré et comparé aux performances de systèmes utilisant des photodiodes commerciales. D a été démontré que le prototype offrait un rapport signal sur bruit similaire aux systèmes basés sur des photodiodes commerciales. Des problèmes durant la fabrication ont cependant compromis les performances de la deuxième itération de détecteurs. Une série de recommandations finales afin d’éviter ces problèmes a été émise suite à la deuxième itération réalisée lors de ce projet de maîtrise.

The objective of this work was to integrate an optical receiver in a modern standard technology in a form amenable to multiple lanes. To accomplish this goal, a photodiode was integrated with the receiver in a standard 90nm CMOS process and the nominal process voltage of 1.2V was not exceeded. Two optical lanes were integrated on chip with a pitch compatible with existing industry photodiode arrays. This work uses a non-SML photodiode to increase optical responsivity to 0.141A/W, almost 3 times higher than values typically reported for SML photodiodes. This receiver is the first integrated optical receiver reported in a standard CMOS technology with a feature size smaller than 0.13μm, which is necessary for the eventual integration of optical receivers with modern digital processing blocks on a single die. The traditional analog equalizer used in most integrated optical receivers is replaced with a high-pass filter and hysteresis latch for equalization. The receiver occupies a core area of 0.197mm2 and has an optical sensitivity of -3.7dBm at a 2Gbps data rate, while consuming 46.3mW.

The objective of this work was to integrate an optical receiver in a modern standard technology in a form amenable to multiple lanes. To accomplish this goal, a photodiode was integrated with the receiver in a standard 90nm CMOS process and the nominal process voltage of 1.2V was not exceeded. Two optical lanes were integrated on chip with a pitch compatible with existing industry photodiode arrays. This work uses a non-SML photodiode to increase optical responsivity to 0.141A/W, almost 3 times higher than values typically reported for SML photodiodes. This receiver is the first integrated optical receiver reported in a standard CMOS technology with a feature size smaller than 0.13μm, which is necessary for the eventual integration of optical receivers with modern digital processing blocks on a single die. The traditional analog equalizer used in most integrated optical receivers is replaced with a high-pass filter and hysteresis latch for equalization. The receiver occupies a core area of 0.197mm2 and has an optical sensitivity of -3.7dBm at a 2Gbps data rate, while consuming 46.3mW.

Abstract Research on X-ray imaging sensors and systems have been carried out for several decades. To make these X-ray scanners smaller with better performance and higher operating speed is an important subject for scientific research and industrial applications. This thesis covers a whole X-ray line-scan camera system. Special attention is given to the smart sensor micromodule design and processing technology. The smart sensor micromodule is an integrated sensor card that includes both silicon X-ray sensor array and signal-processing integrated circuits, which can perform the functions of both an optical sensor and an analog signal processor. Digital signal processing (DSP) made by application specific integrated circuits (ASICs) is also covered in this thesis. Processing technology of the photodiode array, design of the integrated circuit, design and packaging of the micromodules are presented in this thesis. The mechanism of photodiode leakage current is studied in detail. Measured results show that the leakage current level of the photodiode array achieves 80 pA/cm2 under zero bias condition, which outperforms the best photodiode reported so far. The algorithm of the digital signal processing is also studied. The X-ray scanning system can achieve 2 m/s scanning speed with a spatial resolution of 400 mm.

Les communications aux fréquences terahertz sont étudiées dans un contexte de transmissions en espace libre. L’objectif de la thèse est de proposer une étude comparative de différentes topologies d’électrodes supérieures appliquées aux photodiodes UTC ainsi qu’un module d’intégration de ces composants. Ces composants permettent de réaliser des liens de communications sans fils aux fréquences terahertz. Une étude bibliographique évalue les domaines d’applications de ces fréquences, dont le nombre est croissant cette dernière décennie. Les sources terahertz existantes sont ensuite étudiées en fonction des performances et de leur domaine spectrale d’émission. Les photoréponses et puissances émises pour différentes structures de photodiodes PIN, UTC et TTR utilisées en photomélangeur sont comparées au-delà de 60 GHz. Les modules d’intégrations développées et les différentes méthodes d’intégrations sont détaillés dans la dernière partie du premier chapitre. Le second chapitre présente une étude théorique, numérique et expérimentale des photodiodes UTC réalisées. L’utilisation d’une électrode supérieure dédiée et l’étude de différents motifs est développée afin de limiter la dépendance à la polarisation optique de la structure, afin d’en augmenter la fiabilité dans un contexte de transmission de données vidéos aux fréquences terahertz. Un module d’intégration dédiée, en guide WR-3, pour ces photodiodes, est étudié numériquement sous le logiciel CST ainsi que les lignes de transmissions au récepteur. Enfin, les liens terahertz réalisés et les performances correspondantes sont résumées dans le dernier chapitre. / The terahertz frequency communications are studied in a context of free space transmissions. The objective of this thesis is to propose a comparative study of different topologies of top electrode applied to UTC photodiode and a module for packaging this type of components. Those components permit to produce wireless communications links at terahertz frequencies. A bibliographic study evaluates the areas of applications for this frequency band. Then, current terahertz sources are studied according to the performances and their spectral emission domain. The photoresponses and the power emitted for different structures of PIN, UTC, and TTR photodiodes used like photomixer are compared beyond 60 GHz. The packaging and the different modules of integration are detailed in the last part of this first chapter. The second chapter presents a theoretical, numerical and experimental study of UTC photodiodes. The use of a dedicated top contact and the study of different patterns are developed in order to limit the optical polarization dependence of this structure, in order to increase the reliability in a context of data video transmission at terahertz frequencies. A dedicated WR-3 packaging module for these photodiodes is studied numerically under CST software and lines of transmission are studied in receiver. Finally, the terahertz links and the corresponding performances are summarized in the last chapter.

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L'objectif de ce travail de thèse est l'élaboration d'une photodiode organique (OPD) destinée à être intégrée dans un biocapteur. Ce travail s'inscrit dans le cadre plus général de l'étude et de l'amélioration de composants organiques impliqués dans des microsystèmes de détection visant à surveiller la pollution de l'eau. Le besoin d'évaluation et de suivi de la qualité de l'eau suscite un grand intérêt pour des systèmes de détection portables de polluants ayant une réponse rapide et de faible coût. Le principe de la mesure repose sur la détection des variations de fluorescence de micro-algues en présence de substances toxiques. Excitées grâce à une diode électroluminescente (LED) bleue, les algues vont émettre un signal de fluorescence dont l'intensité, modifiée en présence de polluant (Diuron), est détectée par l'OPD optimisée. Le signal de fluorescence à détecter étant très faible, l'OPD idéale doit avoir un faible courant d'obscurité et une grande sensibilité. Cela passe par un choix judicieux des matériaux semi-conducteurs organiques (OSC) entrant dans l'élaboration de la couche active du composant. Pour accompagner le choix des matériaux, il est intéressant d'explorer leurs propriétés physico-chimiques tout en essayant de rationaliser les mécanismes mis en jeu au sein de ces matériaux lorsqu'ils sont utilisés dans l'élaboration d'OPD (phénomènes d'absorption de photons, mécanismes de transport de charges, et pertes associées aux recombinaisons de charges). Cette thèse s'articule autour de deux axes. Le premier axe consiste en une étude théorique qui vise à comprendre et à maitriser l'échange des charges à l'échelle nanométrique par des caractérisations optiques et des calculs de chimie quantique basés sur des méthodes DFT et TD-DFT. L'étude sur un système modèle (le P3HT) a permis d'établir un protocole de calcul très prometteur pour l'étude des propriétés de matériau d'intérêt, en particulier le PTB7. Le second axe est un volet à caractère expérimental. L'élaboration, la caractérisation et l'optimisation d'OPD à base de PTB7 : PC60BM a permis de concevoir un biocapteur algal apte à détecter le Diuron à des concentrations de l'ordre du nanomolaire. / The aim of this thesis is to develop an organic photodiode (OPD) designed to be integrated into a biosensor. It is part of the broader framework of studying and improving organic components involved into devices devoted to water pollution monitoring. The need for such portable, fast-response, low-cost microsystems is of great interest. The measurement is based on the fluorescence detection of micro-algae under toxic substances exposure. The excited algae, under a blue light emitting diode (LED), will emit a fluorescence signal whose intensity, modified because of pollutant exposure (Diuron), is detected by the OPD. Since the fluorescence signal is very weak, the ideal OPD must have a low dark current and a high sensitivity. To achieve this performance, a judicious choice of organic semiconductor materials (OSC) used for the OPD is required. In addition, it is interesting to investigate their physico-chemical properties by rationalizing the mechanisms involved in the active layer (photon absorption phenomena, charge transport mechanisms, and losses associated with charge recombinations). This thesis is based on two axes. The first one consists in a theoretical study of the charge exchanges at a nanoscale. This have been done by both optical characterizations and quantum chemistry calculations based on DFT and TD-DFT methods. Calculations were performed on a model system (P3HT) thus providing the basis for a very promising computational protocol for studying the properties of materials of interest, for instance PTB7. The second axis concerns the experimental study of the OPD based on PTB7:PC60BM. We have developed, characterized and optimized an OPD guarantying the detection of algal fluorescence without and with Diuron at about nanomolar concentrations.