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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

intégrée20-21/10/2011

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

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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?

Conclusion et perspectives

ProblématiquesIntroduction Les mélangeurs optoélectroniques

Conception d’APD CMOS

Application au mélange

33/33Technologie CMOS pour photoréception télémétrique laser

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