This dissertation presents an innovative solid-state current amplifier based on impact-ionization. Unlike avalanche photodetectors which use the same amplification principle, this device can be integrated with any external current source. A discrete amplifier was built on a silicon surface using standard CMOS fabrication processes including lithography, oxidation, ion implantation, diffusion, chemical wet etching, metal deposition, annealing, and rapid thermal processing. Testing was performed by connecting the device to a silicon photodiode, indium-gallium-arsenide photodiodes, and a function generator to demonstrate its compatibility with arbitrary current sources. Current gains above 100 along with pre-amplified leakage currents of less than 10 nA were measured. This amplifier can also be cascaded to achieve very high gains similar to the photomultiplier tube but with much smaller size and no vacuum environment required. Testing was done by amplifying the output signal from an external silicon photodiode. Current gains over 600 were measured when two amplifying devices were cascaded. Additionally, the gain saturation phenomenon of the amplifier due to the space-charge effect is investigated. The measured gain saturation is observed to match very well with the theoretical based predictions. We also present a design rule for obtaining high current gain from the cascaded structure without experiencing gain saturation. Initial bandwidth of the SIM when connected to a silicon photodiode was measured to be about 300 kHz. As we replace the photodiode by a function generator, the bandwidth improved to 450 kHz which is the frequency limit of the system. These results were made on the first generation of SIM devices. We discovered that the space-charge resistance Rsc plays a significant role in determining frequency response. In future generations of the device, we can begin with optimizing the device geometry to reduce this resistance. Also, we can reduce the size of the metal pad and increase the oxide layer thickness to further minimize the device capacitance for faster response. Because of the low-noise gain mechanism employed, this device is of potential interest to a variety of fields requiring high-sensitivity optical or electronic detection.

La mesure de distance et la détection d'objets sont devenues essentielles dans de nombreux domaines tels que l'automobile ou la robotique, les applications médicales, les procédés industriels et agricoles, les systèmes de surveillance et de sécurité, etc. Dans le but d'améliorer les performances des dispositifs de télémétrie laser en terme de bruit et de diaphonie, une technique hétérodyne par mélange optoélectronique doit être utilisée. Par ailleurs, l'aspect système embarqué nécessite une réduction de l'encombrement et de la consommation à performances égales. L'intégration de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS apporte donc une solution optimale à cette approche grâce à ses multiples avantages (intégration du circuit d'instrumentation sur la même puce, modèles bien connus, coût raisonnable, performances élevées,…). Ainsi cette thèse traitera de l'étude de mélangeurs optoélectroniques en technologie CMOS pour la télémétrie embarquée haute résolution. Le premier chapitre de ce manuscrit présente les diverses technique de mesure de distance par télémétrie laser par et justifie le choix de la télémétrie laser par déphasage ainsi que le gain en performances lié à l'hétérodynage. Le second chapitre décrit les mélangeurs électriques et optoélectroniques ainsi que les propriétés nécessaires à leur réalisation. Quelques photodétecteurs y sont présentés au vu de la possibilité de les utiliser en mélangeurs optoélectroniques et d'une intégration potentielle en technologie CMOS. Les principales contraintes liées à l'intégration en technologie CMOS de photocapteurs utilisables en mélangeurs optoélectroniques, sont exposés dans la troisième partie. Les travaux de conception et d'optimisation des structures ainsi que les phases de simulations et de test y sont détaillés. Enfin, pour valider expérimentalement les études précédentes, le dernier chapitre présente la conception d'une chaîne de mesure multivoies pour une tête de photoréception CMOS matricée pour un télémètre laser embarqué haute résolution. / Distance measurement and object detection has become essential in many fields such as automotive and robotics, medical applications, industrial processes and farming systems, surveillance and security, etc.. In order to improve the performance of laser ranging devices in terms of noise and crosstalk, an optoelectronic heterodyne technique of mixing should be used. Moreover, the aspect of embedded system requires a reduction in the size and power consumption for the same performance. The integration of optoelectronic mixers in CMOS technology will provide an optimal solution to this approach through its many advantages (integrated instrumentation circuit on the same chip, well-known models, reasonable cost, high performance, ...). Thus this thesis will focus on the study of optoelectronic mixers in CMOS technology for high resolution, embedded laser range finding systems. The first chapter of this thesis discusses the various technique of distance measurement by laser ranging and justifies the choice of phase shift technique and the gain in performance related to heterodyning. The second chapter describes the electrical and optoelectronic mixers and the properties needed to develop them. Some photodetectors are presented given the opportunity to use optoelectronic mixers and a potential integration with CMOS technology. The main constraints to the integration of CMOS photosensors used in optoelectronic mixers are set out in Part III. The work of design and optimization of structures and phases of simulations and testing are detailed. Finally, to experimentally confirm the earlier studies, the final chapter presents the design of a measuring head for a multichannel photoreceptor CMOS for a high resolution laser range finder.

La détection IR quantique met classiquement en jeu l'absorption de photons dans le matériau semi-conducteur II-VI CdHgTe. Cet alliage présente la particularité de permettre un ajustage du gap du semi-conducteur aux longueurs d'onde couvrant toute la gamme IR en jouant simplement sur la composition de l'alliage, ce qui en fait un matériau de choix. Cependant,les petits gaps en jeu ici imposent un refroidissement des plans focaux à des températures généralement cryogéniques (typiquement la centaine de Kelvins). Ce refroidissement représente naturellement une limite importante dans l'exploitation, l'encombrement et le coût de tels détecteurs.Un des grands défis à venir dans le domaine de la détection IR quantique est la détection à plus haute température. Une figure de mérite populaire pour examiner le fonctionnement de ces détecteurs est le courant d'obscurité qui reflète son bruit, dans le cas d'un détecteur limité par le bruit de courant (shot noise). Or, du fait des propriétés électriques du matériau semi-conducteur utilisé, ce courant d'obscurité augmente fortement avec le réchauffement du détecteur et rend son utilisation impossible à haute température. De plus, un autre phénomène apparaît également limiter le fonctionnement de nos photo-détecteurs : à hautes températures apparaît du bruit 1/f dont l'origine n'est pas parfaitement comprise aujourd'hui (matériau bulk ou interfaces, le débats reste ouvert…).Ce travail de thèse a pour objectif de comprendre les phénomènes physique régissant le bruit 1/f dans les photodiodes CdHgTe à travers la variation d'un bon nombre de paramètres physique et géométriques en vue de mettre en évidence la ou les corrélations de ce bruit avec ces variantes. / The IR sensor makes quantum conventionally involves the absorption of photons in the semiconductor CdHgTe II -VI material . This alloy has a feature to allow an adjustment of the gap of the semiconductor at wavelengths covering the whole IR range by simply varying the composition of the alloy, which makes it a material of choice . However, small gaps at stake here impose a focal cooling to cryogenic temperatures generally planes ( typically hundred Kelvins ) . This cooling naturally represents an important limitation in the operation , the size and cost of such detectors .One of the great challenges ahead in the field of quantum IR detection is the detection at higher temperatures . A figure of merit for popular review the operation of these sensors is the dark current , which reflects its sound , in the case of a noise-limited current ( shot noise) detector. However, because the electrical properties of the semiconductor material used , the dark current increases sharply with the heating of the detector and makes it impossible to use at high temperature . In addition, another phenomenon also appears to limit the functionality of our photo-detectors: high temperature appears on the 1 / f noise whose origin is not fully understood today ( or bulk material interfaces , the debate remains open ... ) .To understand the physical phenomena governing the 1 / f noise in HgCdTe photodiodes through the variation this thesis aims to lots of physical and geometrical parameters in order to highlight the correlations or noise with these variants .

The diploma thesis deals with design of the converter card for the precise control of a laser diode. At first, there are described the principles of the laser diode, photodiode and basic functions of optical fiber sensors. Following chapter deals with description of developed converter card. In the diploma thesis are discussed all function blocks of the converter card and they are explained in detail. In the thesis are subsequently tested all problem parts of the converter card for the precise control of the laser diode, such as fast switching of the current flowing through the laser diode and design of the connection for evaluating of current pulse from the sensing photodiode. An integral part of thesis is a description of created printed circuit board and there are described all used layers and devices’ layout on the PCB. Final part of the diploma thesis deals with firmware for the microcontroller, which was made for testing of all function blocks of the converter card for the precise control of a laser diode. At the same time was developed software for PC, which communicates with the converter card via universal serial bus (USB).

Les travaux présentés dans ce mémoire s'inscrivent dans le contexte du Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (le GRAMS), qui cherche à développer des capteurs de photons plus sensibles et plus performants, destinés à être utilisés pour détecter des photons provenant de cristaux scintillateurs notamment utilisés en tomographie d'émission par positrons. L'objectif principal du travail accompli est de faciliter la caractérisation de diodes monophotoniques à avalanche (single-photon avalanche diodes, SPAD) développées sur une technologie CMOS. Cette caractérisation couvre ce qui a trait à l'efficacité de photodétection, la résolution temporelle, les fausses détections, le redéclenchement intempestif, et la diaphonie. Un objectif optionnel est la mise au point d'un circuit réalisant la lecture d'une matrice de SPAD co-intégrée à l'aide d'un procédé d'empilement de circuits intégrés en 3D (3DIC). Ce mémoire de maîtrise présente les circuits électroniques intégrés (sur procédé CMOS 0,8μm haut voltage) et imprimés faisant partie du système électronique mis sur pied pour répondre aux objectifs du projet. Tel qu'il est démontré vers la fin du mémoire, le système a été utilisé pour caractériser des SPAD. Il a permis d'atteindre des performances dignes de l'état de l'art en circuits de contrôle de SPAD. Des améliorations au système sont proposées et seront implémentées sur des versions ultérieures.

Les études expérimentales sur les petits animaux de laboratoire sont devenues un axe essentiel de recherche dans la plupart des domaines de la biologie moléculaire, de la toxicologie et de la pharmacologie. Elles sont grandement facilitées par le développement de scanners dédiés, incluant des tomographes d'émission par positrons (TEP) à haute résolution pour petits animaux. En effet, en mesurant la biodistribution dynamique d'un radiotraceur in vivo, la TEP permet de mesurer des processus physiologiques et biochimiques à un niveau moléculaire. Des modèles mathématiques peuvent alors être appliqués pour décrire la cinétique des radiotraceurs et extraire des paramètres biologiques d'intérêt comme la perfusion, la consommation d'oxygène ou la consommation de glucose de l'organe étudié. Pour calculer ces constantes cinétiques, il est nécessaire d'obtenir les concentrations tissulaires et plasmatiques du radiotraceur en fonction du temps. Alors que la courbe tissulaire est dérivée des images TEP, il n'est pas toujours possible d'en extraire la courbe sanguine. Habituellement elle est obtenue par le prélèvement manuel d'échantillons sanguins, mais cette procédure peut s'avérer très délicate, surtout sur de très petits animaux comme les souris. Un Compteur Sanguin [micro]volumétrique (CS[micro]) automatisé a donc été développé pour faciliter la mesure de la radioactivité dans le sang. Le CS[micro], qui est l'objet de ce mémoire, est constitué d'un module de détection [bêta] à base de photodiodes PIN et d'un module de contrôle comprenant une pompe pousse-seringue à microvolumes. Cette dernière prélève continuellement du sang d'une canule artérielle ou veineuse à une vitesse réglable pour le faire passer devant les détecteurs. La détection directe des positrons par des photodiodes permet de minimiser la sensibilité aux rayonnements gamma environnants et donc de diminuer l'encombrement du système de détection, principalement par l'amincissement du blindage. L'appareil est entièrement contrôlé par ordinateur pour la sélection du protocole de prélèvement sanguin, les réglages et l'affichage en temps réel des données. Il peut être utilisé seul ou intégré à la caméra LabPET(TM) pour corréler la courbe sanguine avec une séquence d'imagerie TEP dynamique. Différentes caractéristiques physiques du compteur sanguin [micro]volumétrique ont été évaluées. Sa sensibilité absolue se situe entre 3,5 et 23% pour les isotopes les plus couramment utilisés en TEP ([indice supérieur 18]F, [indice supérieur 11]C, [indice supérieur 13]N, [indice supérieur 64]Cu). Le système est linéaire pour les activités utilisées sur modèle animal (1 à 15 kBq/[micro]1) et très peu sensible au bruit de fond radioactif ambiant.Les effets de la dispersion ont été mesurés pour différents cathéters, différentes distances entre l'animal et le détecteur et différentes vitesses de prélèvement. Le système utilisé avec un cathéter PE10 s'est révélé insensible aux interférences électromagnétiques (EMI). Un renfort du blindage EMI permet également de limiter grandement le bruit dans le cas d'un cathéter PE50 avec des animaux de la taille d'un rat. La stabilité à court terme est de l'ordre des variations engendrées par la statistique de Poisson. Enfin, une variation de seulement 0,07% a été observée dans la mesure de l'activité d'une même source repositionnée cinq fois dans le détecteur. Différentes études animales ont été entreprises pour compléter la caractérisation du système. La courbe sanguine obtenue avec le CS[micro] a été comparée avec succès avec des courbes provenant d'un échantillonnage manuel et d'une région d'intérêt (ROI) tracée sur l'image TEP. Des mesures de la consommation myocardique en glucose chez le rat et de la perfusion sanguine du myocarde chez la souris ont également été réalisées avec succès. Le compteur sanguin [micro]volumétrique s'avère donc un outil efficace donnant des mesures précises et reproductibles. Il permet de diminuer l'exposition du personnel tout en augmentant l'efficacité des études pharmacocinétiques en recherche biomédicale et pharmaceutique.

Ce mémoire porte sur l'évaluation et l'amélioration des performances du premier appareil commercial de Tomographie d'Émission par Positrons (TEP) pour petits animaux basé sur des détecteurs à photodiode avalanche (PDA) et une électronique de traitement entièrement numérique. Cet appareil est la version améliorée d'un premier prototype TEP basé sur les PDA datant de 1995. Cette nouvelle version a été conçue sur une plateforme électronique numérique pour améliorer à la fois la résolution spatiale, permettant de détecter de plus petites structures chez la souris, et la sensibilité afin d'injecter une dose de radiotraceur plus faible à l'animal. Le but d'utiliser une électronique numérique était d'augmenter la flexibilité du traitement des signaux pour l'adapter selon de nouvelles applications. Afin de vérifier toutes ces caractéristiques potentielles, nous avons effectué une évaluation systématique et exhaustive des performances de ce nouveau scanner (désigné sous le sigle commercial « LabPET ») pour l'application en imagerie moléculaire. Des procédures d'ajustement automatique de plusieurs paramètres du scanner, dont la tension de polarisation des détecteurs PDA dans les conditions optimales d'opération, ont été mises au point pour faciliter l'étalonnage du grand nombre de détecteurs (1536 ou 3072 selon la version du scanner). Une technique pour normaliser les délais temporels de chaque détecteur a permis d'améliorer les performances temporelles du scanner et la qualité d'image. Cette technique a aussi servi à caractériser de façon individuelle les détecteurs au niveau de leur résolution en temps, ce qui permet de connaître leurs performances et de suivre leur possible dégradation à long terme. Par la suite, les performances de l'appareil pour l'imagerie, telles que la résolution spatiale et temporelle, la résolution en énergie, la sensibilité, le temps mort et le taux de comptage, ont été mesurées en suivant dans la mesure du possible les recommandations des normes de la National Electrical Manufacturers Association (NEMA) pour l'évaluation d'appareils d'imagerie. De plus, des balises pour l'élaboration de protocoles d'acquisition ont été établies afin d'obtenir des images optimales. Pour ce faire, une caractérisation plus exhaustive de la qualité d'image à l'aide de mires et d'images de rats et de souris a été réalisée. Deux appareils avec champ axial de 3.75 et 7.5 cm ont été caractérisés dans le cadre de ce projet de maîtrise. À la suite de toutes les améliorations apportées à l'appareil et à la lumière des résultats obtenus, la plupart des concepts utilisés pour la fabrication de l'appareil ont conduit à des images de qualité supérieure.

Au cours des dernières années, la tomographie d'émission par positrons (TEP) s'est imposée comme l'outil diagnostique par excellence pour déceler la présence de tumeurs et caractériser leur statut métabolique. Comme les images TEP souffrent généralement d'une localisation anatomique imprécise, le diagnostic est d'autant plus fiable lorsque l'information fonctionnelle et moléculaire fournie par la TEP peut être complétée par l'information anatomique détaillée obtenue par une autre modalité d'imagerie comme la tomodensitométrie (TDM) ou l'imagerie par résonance magnétique (IRM). L'émergence de l'imagerie multi-modale TEP/TDM (ou"PET/CT") permet d'obtenir, à tour de rôle, l'information anatomique et métabolique du patient en effectuant successivement les examens TDM et TEP sans avoir à déplacer le patient d'une salle à l'autre, ce qui facilite beaucoup les procédures de recalage d'images. Toutefois, il peut arriver, vu le déplacement du lit du patient d'un scanner à l'autre, que le patient bouge volontairement ou involontairement (mouvement péristaltique, cardiaque ou pulmonaire), ce qui cause des imprécisions dans les images fusionnées. Afin d'éviter ce problème, un simulateur TEP/TDM reposant sur un système de détection commun, celui du scanner LabPET(TM), a été développé. Détectant à la fois le rayonnement émis par le radiotraceur utilisé en TEP et les rayons-X de plus faible énergie utilisée en TDM, des images TEP/TDM ont été obtenues sans aucun déplacement du sujet. Pour obtenir ces images, des algorithmes numériques de traitement de signal ont été développés afin de diminuer l'empilement de signaux et ainsi mieux discerner les photons incidents du niveau de bruit électronique. De plus, des algorithmes de reconstruction d'images adaptés à la géométrie du simulateur ont été développés. Les résultats obtenus ont démontré qu'il est possible d'obtenir, avec relativement peu de radiations ionisantes, des images anatomiques avec un contraste suffisant pour l'imagerie moléculaire. Cependant, la résolution spatiale obtenue avec cet appareil n'était pas suffisante pour bien identifier les structures anatomiques fines chez la souris (le modèle animal par excellence en recherche biomédicale). Le détecteur LabPET II, dont les pixels font 1.2 × 1 2 mm[indice supérieur 2] a donc été développé afin d'atteindre une résolution submillimétrique en imagerie TEP et de l'ordre de 500 [micro]m en imagerie TDM. Fabriqué à partir de deux matrices de photodiodes avalanches, ce détecteur comptant 64 canaux d'acquisition individuels a été caractérisé ainsi que son électronique. Le rehaussement du simulateur avec ces détecteurs permettra de construire sous peu le premier appareil TEP/TDM avec un nouveau système de détection. Les applications de ce type d'appareil en recherche sur modèle animal sont nombreuses et diversifiées : étude de la croissance normale, étude de l'évolution des maladies et évaluation de l'efficacité des thérapies, développement de produits radiopharmaceutiques, etc.... Chez l'humain, l'approche TEP/TDM combinée proposée permettra d'améliorer la détection précoce des cancers et de faciliter le suivi des patients sous thérapie grâce à une réduction importante des doses de radiations.

Increased use of renewable energies that is taking place all over the world is having a very important impact on the photovoltaic solar energy industry. This means of obtaining electrical energy is one of the most promising ones nowadays, thanks to the fact that it is a technology of easy installation and maintenance. However, the number of hours that a photovoltaic system works at maximum power depends almost entirely on environmental conditions, mainly in terms of solar irradiance.Solar irradiance is a magnitude that measures the power released by sunlight per unit area; the higher it is, the more power the photovoltaic system will generate.Therefore, it is very important to measure this magnitude in order to obtain data that either can give information about which is the best place to install a photovoltaic system or expect the device performance.Unfortunately, sensors used nowadays to measure this magnitude are quite expensive. The most widely used are the so-called pyranometers, with an average cost of between 8000 SEK to 10000 SEK, and solar reference cells, which can be quite cheaper (1000 SEK), but also can be the most expensive devices on the market depending on the features they have (some reference cells cost 20000 SEK).In this thesis, a solar irradiance sensor based on the treatment of a current generated by a silicon photodiode has been designed, built and calibrated. The signal generated by the device is a voltage that has been obtained by means of a current-to-voltage converter amplifier stage. Once the construction of the circuit was completed, it was tested on the roof of Hall 45 located in the University of Gävle. The testing was carried out on 13, 14 and 15 May 2019, and it consisted in the comparison of the signal generated by the new device and the signals generated by a pyranometer and a solar cell.The result is a device priced at 200 SEK, which shows acceptable levels of accuracy during central daylight hours but shows a strong angular dependence on incident light during sunrise and sunset.

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.