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Les capteurs d’images CMOS connaissent une croissance rapide vers des applications à fortes valeurs ajoutées. Certains marchés en devenir, comme les applications d’imagerie médicale,sont axés sur la tenue aux rayonnements ionisants. Des solutions de durcissement par dessin existent actuellement pour limiter les effets de ces dégradations. Cependant, ces dernières peuvent contraindre assez fortement certains paramètres du pixel. Dans ce contexte, cette thèse propose une solution novatrice de durcissement aux effets d’ionisation par les procédés.Elle suggère l’utilisation de pixels intégrant une photodiode pincée à collection de trous pour limiter la dégradation du courant d’obscurité : paramètre le plus sévèrement impacté lors d’irradiations ionisantes. Cette étude est donc premièrement centrée sur la modélisation et l’étude du courant d’obscurité sur des capteurs CMOS standards aussi bien avant qu’après irradiation. Ces dernières assimilées, un démonstrateur d’un capteur intégrant des pixels de1.4 μm à détection de trous est proposé et réalisé. Les résultats en courant d’obscurité, induit par la contribution des interfaces, montrent de belles perspectives avant irradiation. Ce capteur a d’ailleurs été utilisé pour effectuer une comparaison directe sous irradiation entre un capteur à détection de trous et d’électrons à design identique. Ces essais montrent une réduction significative du courant d’obscurité aux fortes doses. Des voies d’amélioration sont proposées pour améliorer l’efficacité quantique du capteur, principal point à optimiser pour des applications aussi bien grand public que médicales. / CMOS image sensors are rapidly gaining momentum in high end applications. Some emerging markets like medical imaging applications are focused on hardening against ionizing radiation. Design solutions currently exist to mitigate the effects of these degradations. However, they may introduce additional limitations on pixel performances. In this context, this thesis proposes an innovative solution of hardening by process against ionization effects. It suggests using hole pinned photodiode pixels to mitigate the dark current degradation: one of the most severely impacted parameter during ionizing radiation. This study is first focused on the modeling and understanding of dark current variation on standard CMOS sensors before and after irradiation. Next, a sensor integrating hole-based 1.4 micron pixels is proposed and demonstrated. Dark current performances induced by interfaces contribution are promising before irradiation. A direct comparison under irradiation between hole and electron based sensors with similar design has been carried out. These experiments show a significant reduction in dark current at high doses. Ways of improvement are proposed to enhance the quantum efficiency of this sensor, the main area for improvement as well consumer as medical applications.

Poussée par une forte demande et un marché très compétitif, la technologie PPD CIS est en évolution permanente. Du fait de leurs très bonnes performances en terme de bruit, les capteurs d’image CMOS à base de Photodiode Pincée (PPD CIS) peuvent désormais atteindre une sensibilité de l’ordre de quelques photons, ce qui rend cette technologie particulièrement intéressante pour les applications d’imagerie à haute résolution temporelle. Aujourd’hui, la physique des photodiodes pincées n’est pas encore comprise dans sont intégralité et il y a un manque important d’uniformisation des méthodes de caractérisation de ces détecteurs. Ces travaux s’intéressent à la définition, à la modélisation analytique, à la simulation et à l’estimation de paramètres clés des PPD CIS, tels que le temps de transfert, la tension de pincement et la full well capacity (FWC). Comme il a été mis en évidence par cette thèse, il est de première importance de comprendre l’effet des conditions expérimentales sur les performances de ces capteurs. Ceci aussi bien pour l’optimisation de ces paramètres lors de la conception du capteur, que lors de la phase de caractérisions de celui-ci, et enfin pour choisir correctement les conditions de mesures lors de la mise en œuvre du dispositif. / Driven by an aggressive market competition, CMOS Image Sensor technology is in continuous evolution. Thanks to the outstanding noise performances of Pinned Photodiode (PPD) CIS, CMOS sensors can now reach a few photons sensitivity, which makes this technology a particularly interesting candidate for high temporal resolution applications. Despite the incredibly large production volume, today, the PPD physics is not yet fully understood, and there is still a lack of golden standards for the characterization of PPD performances. This thesis focuses on the definition, analytical modeling, simulation and estimation of PPD key design parameters, with a particular focus on charge mechanisms, on the pinning voltage and on the full well capacity. The models developed in this work can help both manufacturers and users understanding the design trade-offs and the dependence of these parameters from the experimental conditions, in order to optimize the sensor design, to correctly characterize the image sensor, and to adjust the operation conditions to reach optimum performances.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soitpour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteursinfrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domainedu visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectrevisible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domainede l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un boncandidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’unebande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opérationcryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : ils’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Cephénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode).En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporellequi va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, oude la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sontétudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation dessources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’atténuer. / Imaging has always been an interesting field, all the more so as it is nowpossible to see further than human eyes in the infrared and ultraviolet spectra. For each fieldof application, materials are more or less adapted : in order to capture visible light, Siliconis a good candidate, because it has been widely studied, and is also used in our everydaylife. Concerning the infrared, more particularly the MWIR spectral band, InSb has provedto be stable and reliable, even if it need to operate at cryogenic temperatures because ofa narrow bandgap.. In this work, a parasitic signal called Random Telegraph Signal (RTS)which appears in both materials (and also others, such as HgCdTe or InGaAs) is analyzed.This signal comes from the pixel photodiiode and corresponds to a discrete dark currentfluctuation with time, like blinking signals. This can cause detector calibration troubles, orfalse star detection for example. This study aims at characterizing RTS and localize the exactorigin in the photodiode in order to be able to predict or mitigate the phenomenon.

O protótipo de um detector de nêutrons térmicos portátil foi desenvolvido no Instituto de Pesquisa Energéticas e Nucleares (IPEN-CNEN/SP), utilizando um fotodiodo de Si do tipo PIN associado a um filme de boro enriquecido. O filme de boro foi fabricado por meio da técnica de Deposição a Laser Pulsado, considerando duas possibilidades para depositar o boro: deposição direta do boro na face do fotodiodo e deposição na lâmina de vidro. Foram desenvolvidos dois protótipos, no primeiro foi possível ler apenas o sinal elétrico do sistema fotodiodo-boro no qual o filme está depositado na lâmina de vidro. Para aprimorar a resposta do sistema de detecção, outro circuito foi desenvolvido e permitiu contar nêutrons em ambas as situações tanto do filme na lamínula quanto do filme direto no fotodiodo. A caracterização dos protótipos foi feita via irradiação de feixes de nêutrons predominantemente térmicos e frios, por meio de quatro experimentos principais: reposta do sistema ao fluxo de nêutrons, teste de linearidade, resposta angular e o teste de reprodutibilidade. Os protótipos apresentaram uma resposta linear à variação do fluxo, reprodutibilidade, e a resposta angular não foi isotrópica. A eficiência intrínseca em porcentagem do protótipo 1 para um espectro de nêutrons predominantemente térmicos e frios foi (1,17 ± 0,01) % e (1,37 ± 0,01) %, respectivamente. No protótipo 2 foram feitas medições de nêutrons com os dois sistemas fotodiodo-boro (lâmina de vidro, direto no fotodiodo), porém nas medidas com o boro direto no sensor houve um aumento significativo no ruído eletrônico. A eficiência intrínseca do protótipo 2 para os nêutrons frios foi de (5,2 ± 0,4) %. / A portable thermal neutron detector prototype, using a silicon photodiode type PIN coupled to a boron converter, was developed at Nuclear and Energy Research Institute (IPEN-CNEN/SP). The boron layers were made by Pulsed Laser Deposition method using two configurations: directly deposited on the surface of photodiode and at a glass surface. Two prototypes were made in this study using two different associated electronics, in the first prototype is only possible reads signs from the photodiode coupled to boron film and in the second one reads both types of configurations (directly on the photodiode, boron glass). The prototypes were characterized using thermal and cold neutron beam. Four experiments were performed: response of the detection system at neutron beam, linearity test, angular response and repetitive test. The prototypes present a linear behavior, were reproducible and the angular response of the prototypes was not isotropic. The values of intrinsic efficiency from the prototype 1 for thermal and cold neutron were respectively: (1.17 ± 0.01) % e (1.37 ± 0.01) %. In the prototype 2 it was performed an experiment for compare the read out in the detection system for the two possible configuration of system photodiode-boron, in the situation that the boron is part integrant of the system there was an significant increase in the electronic noise, therefore the characterization of this prototype were made using the boron film coupled to the photodiode, and intrinsic efficiency for cold neutron beam was (5.2 ± 0.4) %.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento de um sistema especificado para realizar testes na caracterização de dispositivos fotodetectores como fotodiodos de avalanche. O sistema de ensaios elaborado pretende auxiliar com na caracterização da fotodetecção em dispositivos de acoplamento de cargas com multiplicação de elétrons (EMCCD). O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho dos dispositivos fotodetectores para caracterizar os parâmetros mais significativos no processo da transdução óptica de modo a colaborar no projeto da eletrônica embarcada de controle e leitura da informação contida no EMCCD. A tecnologia da multiplicação dos elétrons em dispositivos CCD e diodos de avalanche têm aplicações importantes na vigilância de ambiente de luminosidade reduzida, astronomia, além de outras aplicações de imagens científicas incluindo as de baixo nível de bioluminescência para identificação de drogas e aplicações da engenharia genética. Para efeito de avaliação do desempenho do sistema fotodetector foi necessário desenvolver uma infra-estrutura para ter controle adequado da temperatura de operação do EMCCD. Foram nomeadas as opções com uma montagem de resfriamento com células Peltier e uma opção por criogenia resfriada com nitrogênio líquido. Os resultados obtidos são úteis na detecção de sinais luminosos ultrafracos minimizando o ruído do detector na aquisição de imagens com o auxilio da instrumentação de um filtro óptico sintonizável que será integrado no telescópio SOAR de 4 metros, instalado no Chile, para observações melhoradas com óptica adaptativa. / This work presents the results obtained in the development of a system specified to perform tests in the characterization of photo-detectors devices such as avalanche photodiodes. The test system is prepared to contribute to the characterization of the photo-detection in charge-coupled devices with electron multiplication (EMCCD). The objective of this study is to evaluate the performance of photo-detectors devices to characterize the most significant parameters in the optic transduction in order to collaborate in the project of an embedded electronic system for controlling and reading the information contained with the EMCCD. The technology of the electron multiplication in CCD devices and avalanche diodes has important applications in monitoring the environment of low light, astronomy and other scientific imaging applications including the low level of bioluminescence for the identification of drugs and applications of genetic engineering. For purposes of assessing the performance of the photo-detector it was necessary to develop an infrastructure to have proper control of the operating temperature of the EMCCD. Options were named with a montage of Peltier cell cooling and a choice of cryogenically cooled with liquid nitrogen. The results are useful in the detection of ultra weak light signals while minimizing detector noise during the acquisition of images from instrument comprising an optical tunable filter, that will be integrated into SOAR 4 meters telescope, installed in Chile, for observations improved with adaptive optics.

Neste trabalho estudou-se as propriedades ópticas do complexo Európio- Tetraciclina (EuTc), determinando as melhores condições para se obter uma formação eficiente do complexo. Parâmetros ópticos como absorção, emissão, tempo de vida e índice de refração foram obtidos. Variação da concentração de európio no complexo, da temperatura, pH ótimo e tempo de reação das soluções foram analisados. Um aumento na banda de emissão do európio foi observado com adição de peróxido de hidrogênio (HP) na solução. As amostras foram preparadas com pH neutro e a luminescência visível do lantanídeo foi detectada após uma incubação das amostras por 30 min. Um método direto para determinação de peróxido de uréia (PHU) e colesterol, em solução, usando a fluorescência do complexo EuTc é descrito. Os resultados mostram que o complexo é ainda mais sensível para o peróxido de uréia, aumentando a intensidade de emissão em até 40 vezes, do que para o peróxido de hidrogênio, que proporciona um aumento máximo de 15 vezes, quando comparados ao EuTc puro. É reportado também, pela primeira vez, que para a determinação do colesterol total, utilizando-se a sonda EuTc, não há necessidade de adição de enzima na solução, além de ser capaz de detectar frações de colesterol (LDL, VLDL e HDL), também sem adição de outros reagentes. Esse método mostra que o complexo pode ser usado como biossensor de alta sensibilidade, boa precisão, resposta rápida, baixo custo e resultados reprodutíveis para a determinação direta do peróxido de hidrogênio, do peróxido de uréia, de colesterol e LDL e para a determinação indireta da glicose. Uma proposta para a construção de um protótipo de equipamento para medidas de emissão do európio, miniaturizado, portátil, e de baixo custo, que possa ser utilizado com maior facilidade e rapidez, é apresentado. / In this work was studied the optical properties of Europium-Tetracycline complex (EuTc), determining the best conditions to obtain an efficient complex formation. Optical parameters as absorption, emission, lifetime and refractive index were obtained. Variation of europium complexes concentration, temperature, optimal pH and solutions time reaction were analyzed. An increase in the europium emission band was observed with the addition of hydrogen peroxide (HP) in the solution. The samples were prepared with neutral pH and the lanthanide visible luminescence was detected after a samples incubation of 30 min. A direct method to determine urea hydrogen peroxide (PHU) and cholesterol, in solution, using a fluorescent EuTc complex is described. The results show that the complex is more sensitive for urea hydrogen peroxide, it is over fortyfold higher, while for hydrogen peroxide the increasing is fifteenfold higher when compared to pure EuTc complex emission intensity. It is also reported, for the first time, for the determination of cholesterol total, using the EuTc probe, the enzymatic reaction is not necessary, and also is possible to detect cholesterol fractions (LDL, VLDL and HDL), without the addition of other reagents. This method shows that the complex can be used as a biossensor of high sensibility, good accuracy, fast response, low cost and reproducible results to direct determination of hydrogen peroxide, urea hydrogen peroxide, cholesterol and LDL, and to indirect determination of glucose. A prototype for the construction of miniaturized equipment, portable, low cost, easier and faster to be used, is presented.

Le domaine de l’imagerie a toujours fait l’objet de curiosité, que ce soit pour enregistrer une scène, ou voir au-delà des limites de l’oeil humain grâce aux détecteurs infrarouges. Ces deux types d’imagerie sont réalisés avec différents matériaux. Dans le domaine du visible, c’est le silicium qui domine, car son absorbance spectrale correspond bien au spectre visible et que ce matériau a été très étudié dans les dernières décennies. Dans le domaine de l’infrarouge, plus particulièrement le MWIR (Middle Wave InfraRed), l’InSb est un bon candidat car il s’agit d’un matériau très stable. Cependant, certaines contraintes telles qu’une bande interdite étroite peuvent être limitantes et cela nécessite une température d’opération cryogénique. Dans ces travaux, un signal parasite commun à ces deux matériaux est étudié : il s’agit du signal des télégraphistes (RTS : Random telegraph Signal) du courant d’obscurité. Ce phénomène provient d’un courant de fuite de l’élément photosensible du pixel (photodiode). En effet, même dans le noir, certains pixels des imageurs vont avoir une réponse temporelle qui va varier de façon discrète et aléatoire. Cela peut causer des problèmes de calibration, ou de la mauvaise détection d’étoiles par exemple. Dans cette étude, deux axes principaux sont étudiés : la caractérisation du signal pour pouvoir mieux l’appréhender, et la localisation des sources à l’origine du RTS dans la photodiode afin d’essayer de l’attén

Neste trabalho estudou-se as propriedades ópticas do complexo Európio- Tetraciclina (EuTc), determinando as melhores condições para se obter uma formação eficiente do complexo. Parâmetros ópticos como absorção, emissão, tempo de vida e índice de refração foram obtidos. Variação da concentração de európio no complexo, da temperatura, pH ótimo e tempo de reação das soluções foram analisados. Um aumento na banda de emissão do európio foi observado com adição de peróxido de hidrogênio (HP) na solução. As amostras foram preparadas com pH neutro e a luminescência visível do lantanídeo foi detectada após uma incubação das amostras por 30 min. Um método direto para determinação de peróxido de uréia (PHU) e colesterol, em solução, usando a fluorescência do complexo EuTc é descrito. Os resultados mostram que o complexo é ainda mais sensível para o peróxido de uréia, aumentando a intensidade de emissão em até 40 vezes, do que para o peróxido de hidrogênio, que proporciona um aumento máximo de 15 vezes, quando comparados ao EuTc puro. É reportado também, pela primeira vez, que para a determinação do colesterol total, utilizando-se a sonda EuTc, não há necessidade de adição de enzima na solução, além de ser capaz de detectar frações de colesterol (LDL, VLDL e HDL), também sem adição de outros reagentes. Esse método mostra que o complexo pode ser usado como biossensor de alta sensibilidade, boa precisão, resposta rápida, baixo custo e resultados reprodutíveis para a determinação direta do peróxido de hidrogênio, do peróxido de uréia, de colesterol e LDL e para a determinação indireta da glicose. Uma proposta para a construção de um protótipo de equipamento para medidas de emissão do európio, miniaturizado, portátil, e de baixo custo, que possa ser utilizado com maior facilidade e rapidez, é apresentado. / In this work was studied the optical properties of Europium-Tetracycline complex (EuTc), determining the best conditions to obtain an efficient complex formation. Optical parameters as absorption, emission, lifetime and refractive index were obtained. Variation of europium complexes concentration, temperature, optimal pH and solutions time reaction were analyzed. An increase in the europium emission band was observed with the addition of hydrogen peroxide (HP) in the solution. The samples were prepared with neutral pH and the lanthanide visible luminescence was detected after a samples incubation of 30 min. A direct method to determine urea hydrogen peroxide (PHU) and cholesterol, in solution, using a fluorescent EuTc complex is described. The results show that the complex is more sensitive for urea hydrogen peroxide, it is over fortyfold higher, while for hydrogen peroxide the increasing is fifteenfold higher when compared to pure EuTc complex emission intensity. It is also reported, for the first time, for the determination of cholesterol total, using the EuTc probe, the enzymatic reaction is not necessary, and also is possible to detect cholesterol fractions (LDL, VLDL and HDL), without the addition of other reagents. This method shows that the complex can be used as a biossensor of high sensibility, good accuracy, fast response, low cost and reproducible results to direct determination of hydrogen peroxide, urea hydrogen peroxide, cholesterol and LDL, and to indirect determination of glucose. A prototype for the construction of miniaturized equipment, portable, low cost, easier and faster to be used, is presented.

Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos no desenvolvimento de um sistema especificado para realizar testes na caracterização de dispositivos fotodetectores como fotodiodos de avalanche. O sistema de ensaios elaborado pretende auxiliar com na caracterização da fotodetecção em dispositivos de acoplamento de cargas com multiplicação de elétrons (EMCCD). O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho dos dispositivos fotodetectores para caracterizar os parâmetros mais significativos no processo da transdução óptica de modo a colaborar no projeto da eletrônica embarcada de controle e leitura da informação contida no EMCCD. A tecnologia da multiplicação dos elétrons em dispositivos CCD e diodos de avalanche têm aplicações importantes na vigilância de ambiente de luminosidade reduzida, astronomia, além de outras aplicações de imagens científicas incluindo as de baixo nível de bioluminescência para identificação de drogas e aplicações da engenharia genética. Para efeito de avaliação do desempenho do sistema fotodetector foi necessário desenvolver uma infra-estrutura para ter controle adequado da temperatura de operação do EMCCD. Foram nomeadas as opções com uma montagem de resfriamento com células Peltier e uma opção por criogenia resfriada com nitrogênio líquido. Os resultados obtidos são úteis na detecção de sinais luminosos ultrafracos minimizando o ruído do detector na aquisição de imagens com o auxilio da instrumentação de um filtro óptico sintonizável que será integrado no telescópio SOAR de 4 metros, instalado no Chile, para observações melhoradas com óptica adaptativa. / This work presents the results obtained in the development of a system specified to perform tests in the characterization of photo-detectors devices such as avalanche photodiodes. The test system is prepared to contribute to the characterization of the photo-detection in charge-coupled devices with electron multiplication (EMCCD). The objective of this study is to evaluate the performance of photo-detectors devices to characterize the most significant parameters in the optic transduction in order to collaborate in the project of an embedded electronic system for controlling and reading the information contained with the EMCCD. The technology of the electron multiplication in CCD devices and avalanche diodes has important applications in monitoring the environment of low light, astronomy and other scientific imaging applications including the low level of bioluminescence for the identification of drugs and applications of genetic engineering. For purposes of assessing the performance of the photo-detector it was necessary to develop an infrastructure to have proper control of the operating temperature of the EMCCD. Options were named with a montage of Peltier cell cooling and a choice of cryogenically cooled with liquid nitrogen. The results are useful in the detection of ultra weak light signals while minimizing detector noise during the acquisition of images from instrument comprising an optical tunable filter, that will be integrated into SOAR 4 meters telescope, installed in Chile, for observations improved with adaptive optics.