technologie cmos pour photoréception télémétrique laser intégrée
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Emmanuel MOUTAYE, Hélène TAP-BETEILLE
Journées télémétrie laser , Nice, 20-21 octobre 2011
Intégration des systèmes
Augmentation des fonctionnalités.
Diminution de l’encombrement.
Diminution de la consommation.
Augmentation des performances.
Systèmes embarqués.
Conclusion et perspectives
Problématiques Conception d’APD CMOS
Les mélangeurs optoélectroniques
Introduction Application au mélange
2/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Technologie CMOSVecteur de l’intégration des microsystèmes.
- Technologie mature (1960).- Modèles électriques et technologiques bien connus et très précis.- Application aisée du facteur d’échelle pour l’évolution du système vers des technologies nouvelles.
- Intégration multifonctions.- Diminution les dimensions.
- Diminution des temps de transit des signaux.- Diminution de la consommation.
- Bas coûts pour une fabrication de masse.
Conclusion et perspectives
Problématiques Conception d’APD CMOS
Les mélangeurs optoélectroniques
Introduction Application au mélange
3/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Mesure du déphasageModulation de fréquence (FMCW)
Mesure de distance par temps de vol en régime sinusoïdal permanent.
- Facilité de mise en œuvre.- Détermination « directe » de la mesure de distance.- Meilleure performance en terme de précision de mesure.
Conclusion et perspectives
Problématiques Conception d’APD CMOS
Les mélangeurs optoélectroniques
Introduction Application au mélange
4/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Télémétrie laser par déphasage – Diaphonie
D
PIN ou
APD VoutBP
fI = |fRF – fLO|
fI, fI
Passe Bande
Vref
Osc. RF
Diode Laser
fRF
Phasemètre
Télémètre laser par déphasage
Cible lamber-tienne
0
Rf
fRF
Mélangeur
fI
fI
avec technique hétérodyne
166,6 MHz
Haute résolution: 50 µm pour fRF=166,6 MHz et Δ = 0.02°
Diaphonie entre la voie d’émission et de réception à haute fréquence.
Transposition de fréquence pour faciliter la mesure du déphasage.
Filtrage à bande étroite afin d’améliorer le rapport signal sur bruit
Osc. LO fOL
Déphasage entre VTRANS et VRF:VTRANS
VRF
c
DfRF
22
RFf.360.2
cD
On souhaite donc limiter le trajet des signaux de hautes fréquences
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
5/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
D
PIN ou
APD
Osc. RF
Diode Laser
fRF
Cible lamber-tienne
0
Rf
fRF
Limitations de l’amplificateur transimpédance- Transimpédance fonctionnant à la fréquence fRF.
Pénalité en bruit
- Capacité de jonction Cj de la photodiode.
Limitation de la bande passante.
Solution :Suppression de l’amplificateur transimpédance par l’utilisation d’un mélangeur optoélectronique (OEM).
On souhaite disposer du signal photoélectrique de fréquence intermédiaire fI, fI
Osc. RF
Diode Laser
fRF
Phasemètre
0
fI
fI
Osc. LO fOL
OEM
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
6/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Mélangeurs optoélectroniquesExemple d’APD silicium : S2381 Hamamatsu.
BV 100 V à 200 V incompatible avec l’approche système embarqué.
Problématiques Conception d’APD CMOS
Application au mélange
7/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
ProblématiquesIntroduction Les mélangeurs optoélectroniques
Plan
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
8/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
)t(v.)t(p.K)t(v OLopt1out
- Combinaison des fréquences des signaux d'entrée en sortie.
- Conversion puissance optique en photocourant.
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Présentation
Un mélangeur optoélectronique (OEM) réalise un mélange entre un signal optique et un signal électrique.
- Modulation du photocourant par le signal électrique.
- Photodétecteur non-linéaire.Choix d’un
photodétecteur
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
9/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiodes à avalanche
N+ P P+
Flux incident
Zone de multiplication
Zone de génération
Substrat
Champélectrique
Structure d’une photodiode PIN avec une zone de multiplication fonctionnant dans le régime d’avalanche.
Intégration délicate dû aux zones de génération et de multiplication séparées.
Gain important : 10 à 104.
Temps de réponse limité par le temps de transit des porteurs.
Bruit dégradé par la multiplication par le phénomène d’avalanche.
Bonne sensibilité : Zone de génération dédiée.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
10/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiodes à avalanche (2) Polarisation statique
en courant dansle régime d’avalanche
Polarisation dynamique en tension
à la fréquence fOL
Mesure de IAPD à la fréquencefIF = fRF - fOL
Flux lumineux incidentmodulé à la fréquence
fRF
APD
n
APD
BV
tv1
1tM
Modulation du facteur multiplicatif M
Modulation du photocourant primaire
)t(p.Sti optprim
Mélange des
fréquences
)t(p.)t(M.Sti optAPD
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
11/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
ProblématiquesIntroduction Les mélangeurs optoélectroniques
Plan
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
12/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Conception d’APD CMOS
Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Process technologique AMS 0,35 µm
Contraintes d’intégration : - Chronologie du process.- Eviter le claquage prématuré de la jonction périphérique (environ 3.105 V.cm-1 dans le Silicium).
Objectif :-Tension d’avalanche compatibles avec la technologie.
Méthodologie :
- Description des structures sous Athéna. - Simulations électriques et optiques sous Atlas.
Bon compromis budget de tension (3,3V) / fréquence maximale d’utilisation.Technologie éprouvée et encore très utilisée en analogique.
- Déduction des paramètres technologiques manquants. - Etablissement du modèle du process.
Application au mélange
13/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Process technologique AMS 0,35 µm (2)
Process technologique 0,35 µm Standard.
Process technologique 0,35 µm HV avec caisson isolé.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
14/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N hors caisson isolé.
Il est impossible d’insérer un caisson moins dopé au niveau de la jonction périphérique.
Utilisation de la diffusion latérale de deux caissons pour créer une zone faiblement dopée.
d (µm) 0 0,4 0,6 1,0 1,2 1.4Direction du claquage horizontale horizontale horizontale verticale verticale verticale
VAVALANCHE (V) - - - -5,5 -4,2 -4,2VBV (V) - -5,2 -6,2 -7,8 -8,75 -7,2
Influence de la largeur de l’anneau de garde.
d optimal de 1,2 µm.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
15/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N hors caisson isolé.
Champ électrique au sein de la structure pour VAPD = -5 V et d = 1,2 µm.
Champ électrique horizontal plus faible que le Champ électrique vertical.
Avalanche au niveau de la jonction plane avant le claquage de la jonction périphérique.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
16/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N hors caisson isolé.
Conception d’APD CMOS
Caractéristique courant-tension en simulation dans
les conditions d’obscurité.
Vavalanche # -3,5 V
Application au mélange
Caractéristique courant-tension sous polarisation inverse dans
les conditions d’obscuritéet d’éclairement.
Vavalanche # -4,5 V
Variation de la courbure entre l’obscurité et l’éclairement.
17/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N hors caisson isolé.
Conception d’APD CMOS
Sensibilité spectrale de l’APDen fonction de la longueur d’onde.
S APD = 0,11(A/W) pour = 500 nm,VAPD = - 2 V
Sensibilité spectrale de l’APD en simulation
en fonction de la longueur d’onde.
S APD = 0,18(A/W) pour = 400 nm,VAPD = - 1 V
Application au mélange
18/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N dans un caisson isolé.
Anneau de garde réalisé par l’insertion d’un P-tub au niveau de la jonction périphérique.
Structure plus « robuste » car ne dépend pas de la largeur de l’anneau de garde.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
19/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N dans un caisson isolé.
Champ électrique au sein de la structure pour VAPD = -5 V.
Champ électrique horizontal plus faible que le Champ électrique vertical.
Avalanche au niveau de la jonction plane avant le claquage de la jonction périphérique.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
20/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N dans un caisson isolé.
Conception d’APD CMOS
Caractéristique courant-tension sous polarisation inverse dans
les conditions d’obscuritéet d’éclairement.
Vavalanche # -10 V
Forte variation de la courbureentre l’obscurité et l’éclairement.
Caractéristique courant-tension en simulation dans
les conditions d’obscurité.
Vavalanche # -3,5 V
Application au mélange
21/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Photodiode à avalancheStructure P+N dans un caisson isolé.
Conception d’APD CMOS
Sensibilité spectrale de l’APDen fonction de la longueur d’onde.
S APD = 0,12(A/W) pour = 575 nm,VAPD = - 1 V
Sensibilité spectrale de l’APD en simulation
en fonction de la longueur d’onde.
S APD = 0,4(A/W) pour = 500 nm,VAPD = - 1 V
Application au mélange
22/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
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Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Résultats de simulations VS résultats expérimentaux
Vavalanche
(V)Gain
Sensibilité max (A/W)
Longueur d’onde
optimale (nm)
APD_P+N_NI
-3,5 / -4,5300 / 150
0,18 / 0,11 400 / 500
APD_P+N_I -3,5 / -10 20 / 10 0,4 / 0,12 500 / 600
Résultats expérimentaux éloignés des résultats de simulation pour l’APD P+N_I à cause de l’incertitude sur le dopage du N-tub
On peut améliorer la sensibilité à l’aide d’un traitement anti-reflet en surface.
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
23/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
ProblématiquesIntroduction Les mélangeurs optoélectroniques
Plan
Conception dAPD CMOS
Application au mélange
24/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
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Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Application au mélange optoélectroniqueMise en œuvre du mélange optoélectronique.
Application au mélange
Conception d’APD CMOS
25/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
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Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Application au mélange optoélectroniqueStructure P+N hors caisson isolé.
Application au mélange
Conception d’APD CMOS
= 575 nm
26/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Application au mélange optoélectroniqueStructure P+N dans un caisson isolé.
Application au mélange
Conception d’APD CMOS
= 575 nm
27/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Comparaison du mélange optoélectronique
Application au mélange
Conception d’APD CMOS
APD
Rendement de
conversion maximal
Amplitude osc. Local
Tension de polarisatio
n
P+N_NI -4,5 dB 1,6 V -6 V
P+N_I -4 dB 2,6 V -12 V
Meilleurs rendements de conversion pour fortes amplitudes de l’oscillateur local.
L’APD P+N_NI présente le meilleur compromis rendement de conversion/amplitude de la tension de l’oscillateur local.
28/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
ProblématiquesIntroduction Les mélangeurs optoélectroniques
Plan
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
29/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Conclusion
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
Possibilité d’intégrer des APDs en technologie CMOS sans modification du process.
Intégration monolithique d’APDs et de l’électronique associée.
Faisabilité du mélange optoélectronique au sein des APDs.
30/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Matriçage de la tête de photoréception :- Levée des imperfections inhérentes à l’utilisation d’une photodiode de grande surface.- Possibilité de balayer une scène et d’en déduire un profil.- Imagerie 3D.
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Conclusion
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
Il est donc possible de réaliser un système embarqué de photoréception pour la télémétrie compact, hautes performances et faible coût.
31/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Influence importante des dispersions technologiques qui rend impossible la reproductibilité des performances d’un run à un autre.
Difficulté à décrire le process d’AMS avec précision d’où une grande incertitude sur certaines valeurs de dopage.
Refus d’AMS de collaborer sur la mise au point des photodétecteurs CMOS.Nécessité de mettre en œuvre une NDA avec un « plus petit » fondeur.
Conclusion et perspectives
Introduction Les mélangeurs optoélectroniques
Problématiques
Conclusion
Conception d’APD CMOS
Application au mélange
32/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
intégrée20-21/10/2011
Merci pour votre attention!
Avez-vous des questions?
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Application au mélange
33/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser
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