Radiation hardness and electrical properties of an active deep-trench CCD-on-CMOS sensor for high-performance imaging

Effets des radiations et propriétés électriques d’un capteur CCD-sur-CMOS à tranchées profondes actives pour l’imagerie haute-performance Les dispositifs d'imagerie CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), trouvent de nombreuses applications en imagerie terrestre haute résolution et en imagerie scientifique (par exemple : Sentinel-2, MSL2020 et MMX). Les avancées impressionnantes réalisées ces cinq dernières années en technologie d'imagerie CMOS, tant au niveau des performances de photodétection que de la réduction du bruit, ouvrent aujourd'hui la voie à des applications de très haute performance, alors que les CCD (Charge Coupled Device) étaient jusqu'à présent les meilleurs candidats.Pour de telles applications, le développement de cette technologie doit se concentrer sur l'amélioration du rapport signal-à-bruit (SNR) afin d'atteindre une résolution spatiale optimale pour les images satellites d'observation terrestre (résolution sub-métrique). Le premier levier d'amélioration repose sur l'augmentation de la sensibilité du détecteur, avec comme objectif l'optimisation du transfert de charge inter-pixels et la réduction des courants d'obscurité parasites. Le second levier consiste à maximiser la capacité de collection de charge et à contrôler les effets de saturation. L'ensemble de ces paramètres doit être évalué en tenant compte des conditions de l'environnement spatial, en particulier les effets des radiations (ionisation et déplacement), qui peuvent fortement altérer les propriétés électriques des capteurs d'images.La technologie CMOS actuellement privilégiée pour les futurs projets d'imagerie terrestre haute résolution intègre un nœud technologique spécifique de tranchée profonde active. Cette technologie permet, lorsqu'elle est associée au potentiel de tranchée adapté, de contrôler les mouvements de charge dans le silicium. Ainsi, des registres à transfert de charge de type CCD-sur-CMOS utilisant cette technologie, ont été implémentés avec succès. L'analyse théorique et la caractérisation de certaines architectures de registres CCD à deux phases ont donné des résultats très prometteurs et ouvert de nouvelles perspectives.Les objectifs de cette thèse sont multiples : améliorer la compréhension de ce nouveau type de pixel à transfert de charge, et en particulier des tranchées profondes actives, à travers une analyse approfondie des phénomènes physiques en jeu et des effets des radiations (tant en termes de dose d'ionisation que de déplacement). Il s'agit également d'évaluer et de proposer des optimisations de conception adaptées à plusieurs modes de fonctionnement (Time Delay Integration, Electron Multiplication), permettant d'atteindre les performances visées en matière de SNR, tout en répondant aux exigences de tolérance aux radiations pour l'imagerie très haute résolution.