Développement et intégration de structures en technologie CMOS pour le filtrage multispectral - Institut d'Optique Graduate School Access content directly
Theses Year : 2023

Development and integration of CMOS compatible structures for multispectral filtering

Développement et intégration de structures en technologie CMOS pour le filtrage multispectral

Abstract

Optical sensors are increasingly present in fields such as health, environment, and food. Spectrometers hold a special place, allowing the qualification and quantification of many chemical species. A spectrometer integrated onto a CMOS sensor in an extremely portable solution would then be an analysis tool accessible to everyone, via the smartphone which is a highly advanced object widely spread throughout the world. To create such a spectrometer, we studied guided mode resonance filters (RWGs), focusing on the parameters useful to design filters for multispectral applications, while keeping in mind the requirement to integrate them on CMOS sensors. We then detailed the design of these filters through simulation (RCWA/FMM), their fabrication on the 300 mm platform of ST Crolles (CMOS foundry), and we showed and analyzed encouraging experimental results, measured at CEA Leti. Then we looked at the drawbacks of RWGs, and we proposed structures close to RWGs that overcome some of these drawbacks while maintaining the functionality of tunability via the planar geometry of a grating. Finally, we made a first application of these filters, in two distinguished steps. These encouraging results open the door to developments and improvements, either on filtering structures or on more advanced post-processing of signals such as those filtered by existing structures.
Les capteurs optiques sont de plus en plus présents dans des domaines tels que la santé, l'environnement et l'alimentation. Les spectromètres y tiennent une place de choix, permettant de qualifier et quantifier de nombreuses espèces chimiques. Un spectromètre intégré à un capteur CMOS en une solution extrêmement portative serait alors un outil d'analyse accessible à tous, via le smartphone qui est un objet de haute technologie répandu mondialement. Dans le but de réaliser un tel spectromètre, nous avons étudié le fonctionnement des filtres à résonance de modes guidés (RWGs), en mettant l'accent sur les paramètres utiles à la conception des filtres pour des applications multispectrales, tout en gardant à l'esprit l'exigence de l'intégration sur capteur CMOS. Nous avons ensuite détaillé la conception de ces filtres par simulation (RCWA/FMM), leur fabrication sur la plateforme 300 mm de ST Crolles (fonderie CMOS), et nous avons montré et analysé des résultats expérimentaux encourageants, mesurés au CEA Leti. Puis nous nous sommes penchés sur les inconvénients des RWGs, et nous avons proposé quelques structures proches des RWGs qui pallient certains de ces inconvénients tout en gardant la fonctionnalité d'une accordabilité via la géométrie planaire d'un réseau. Enfin, nous avons réalisé une première mise en application de ces filtres, en deux étapes distinctes. Ces résultats encourageants ouvrent la porte à de nombreux développement et améliorations, portant soit sur des structures filtrantes, soit sur des post-traitements plus poussés des signaux tels que filtrés par les structures existantes.
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Origin Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-04442491 , version 1 (06-02-2024)

Identifiers

  • HAL Id : tel-04442491 , version 1

Cite

Sandrine Villenave. Développement et intégration de structures en technologie CMOS pour le filtrage multispectral. Optique [physics.optics]. Université Paris-Saclay, 2023. Français. ⟨NNT : 2023UPASP182⟩. ⟨tel-04442491⟩
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