Conception et développement d'un circuit multiprocesseurs en ASIC dédié à une caméra intelligente

Smart sensors today require processing components with sufficient power to run algorithms at the rate of these high-performance image sensors, while maintaining low power consumption. Monoprocessor systems are no longer able to meet the requirements of this field. Thus, thanks to technological advances and based on previous works on parallel computers, multiprocessor systems on chip (MPSoC) represent an interesting and promising solution. Previous works around this thesis have used FPGA as technological target. However, results have shown the limits of this target in terms of hardware resources and in terms of performance (speed in particular). This observation leads us to change the target from FPGA to ASIC. This migration requires deep rework at the architecture level. Particularly, existing IPs around the method (called HNCP for Homogeneous Network of Communicating Processors) have to be revisited. To take advantage of the performance offered by the ASIC target, proposed multiprocessor systems are based on the flexibility of its architecture. Combined with parallel skeletons that ease programmability of the architecture, the proposed circuits allow to offer systems that support various real-time image processing algorithms. This work has led to the fabrication of an integrated circuit based on a single processor and its peripheral using ST CMOS 65nm technology with an area around 1 mm². Moreover, two flexible multiprocessor architectures based on the concept of parallel skeletons have been proposed (a 16 cores 65 nm CMOS multiprocessors and a 64 cores 28 nm FD-SOI CMOS multiprocessors).Suffisante pour exécuter les algorithmes à la cadence de ces capteurs d’images performants, tout en gardant une faible consommation d’énergie. Les systèmes monoprocesseur n’arrivent plus à satisfaire les exigences de ce domaine. Ainsi, grâce aux avancées technologiques et en s’appuyant sur de précédents travaux sur les machines parallèles, les systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) représentent une solution intéressante et prometteuse. Dans de précédents travaux à cette thèse, la cible technologique pour développer de tels systèmes était les FPGA. Or les résultats ont montré les limites de cette cible en terme de ressource matérielles et en terme de performance (vitesse notamment). Ce constat nous amène à changer de cible c’est-à-dire à passer sur cible ASIC nécessitant ainsi de retravailler profondément l’architecture et les IPs qui existaient autour de la méthode existante (appelée HNCP, pour Homogeneous Network of Communicating Processors). Afin de bénéficier de la performance offerte par la cible ASIC, les systèmes multiprocesseurs proposés s’appuient sur la flexibilité de son architecture. Combinés à des squelettes de parallélisation facilitant la programmabilité de l’architecture, les circuits proposés permettent d’offrir des systèmes supportant le portage en temps réels de différentes classes d’algorithme de traitement d’images. Le résultat de ce travail a abouti à la fabrication d’un circuit intégré à base d’un seul processeur et de ses périphériques en technologie ST CMOS 65nm dont la surface est d’environ 1 mm² et à la définition de 2 architectures multiprocesseurs flexibles basées sur le concept des squelettes de parallélisation (une architecture de 16 coeurs de processeur en technologie ST CMOS 65 nm et une deuxième architecture de 64 coeurs de processeur en technologie ST CMOS FD-SOI 28 nm)

Optimisation d'un procédé de dépôt plasma micro-onde pour l'élaboration de substrats de diamant fortement dopés au bore

The main objective of this PhD thesis is the optimization of diamond growth conditions in a MPACVD reactor in order to one hand, synthesize single crystal diamond films with low dislocation density, prerequisite to their use in the field of power electronics and on the other hand, synthesize thick intrinsic and boron doped monocrystalline diamond films (>100 microns) on (111)-oriented substrates, crystallographic orientation which is well known to promote twinning. In a first part, a process of inflection and confinement of the dislocations has been developed using (100) pyramidal shape substrates coupled with specific growth conditions. This innovative and original study open the way for the fabrication of single crystal diamond films with low defect density. In a second part, the effect of different growth parameters has been studied to optimize our growth process for (111) orientation. It was thus demonstrated the existence of a narrow window of growth parameters pressure, microwavepower, temperature and methane concentration which ensures a good trade-off between crystalline quality and growth rate, allowing the synthesis of heavily boron-doped diamond thick films on this specific orientation, thus opening the possibility of combining the n-type doping efficiency and achieving vertical bipolar components for applications in hightemperaturehigh-voltage electronics.L’objectif principal de ce travail de thèse a été l’optimisation des conditions de croissance du diamant dans un réacteur MPACVD afin d’une part, obtenir des films de diamant monocristallin à faible densité de dislocations, condition sine qua none pour une utilisation dans le domaine de l’électronique de puissance et, d’autre part, synthétiser des films épais (>100 μm) de diamant monocristallin intrinsèque et fortement dopés au bore sur substrats orientés (111), orientation cristalline connue pour favoriser la formation de macles. Dans une première partie, nous avons développé un procédé d’infléchissement et de confinement desdislocations en utilisant des substrats en forme de pyramide orientés (100) et en déterminant des conditions de croissance bien particulières. Cette étude innovante et originale a permis de lever plusieurs verrous scientifiques et technologiques qui ouvrent la voie à la réalisation de films de diamant monocristallin à faible densité de défauts. Dans une deuxième partie, l’effetdes différents paramètres de croissance a été étudié, afin d’optimiser notre procédé de croissance sur orientation (111). Il a ainsi été mis en évidence l’existence d’une fenêtre de couple pression/puissance micro-onde, température et concentration en méthane qui permettent d’assurer un bon compromis entre qualité cristalline et vitesse de croissance, permettant la synthèse de films épais de diamant fortement dopé au bore sur cette orientation ouvrant ainsi la possibilité de combiner l’efficacité de dopage de type n et la réalisation de composants bipolaires verticaux pour des applications en électronique haute tension-hautetempérature

Optimization of a microwave plasma CVD process for the preparation of highly boron doped diamond substrates

L’objectif principal de ce travail de thèse a été l’optimisation des conditions de croissance du diamant dans un réacteur MPACVD afin d’une part, obtenir des films de diamant monocristallin à faible densité de dislocations, condition sine qua none pour une utilisation dans le domaine de l’électronique de puissance et, d’autre part, synthétiser des films épais (>100 μm) de diamant monocristallin intrinsèque et fortement dopés au bore sur substrats orientés (111), orientation cristalline connue pour favoriser la formation de macles. Dans une première partie, nous avons développé un procédé d’infléchissement et de confinement desdislocations en utilisant des substrats en forme de pyramide orientés (100) et en déterminant des conditions de croissance bien particulières. Cette étude innovante et originale a permis de lever plusieurs verrous scientifiques et technologiques qui ouvrent la voie à la réalisation de films de diamant monocristallin à faible densité de défauts. Dans une deuxième partie, l’effetdes différents paramètres de croissance a été étudié, afin d’optimiser notre procédé de croissance sur orientation (111). Il a ainsi été mis en évidence l’existence d’une fenêtre de couple pression/puissance micro-onde, température et concentration en méthane qui permettent d’assurer un bon compromis entre qualité cristalline et vitesse de croissance, permettant la synthèse de films épais de diamant fortement dopé au bore sur cette orientation ouvrant ainsi la possibilité de combiner l’efficacité de dopage de type n et la réalisation de composants bipolaires verticaux pour des applications en électronique haute tension-hautetempérature.The main objective of this PhD thesis is the optimization of diamond growth conditions in a MPACVD reactor in order to one hand, synthesize single crystal diamond films with low dislocation density, prerequisite to their use in the field of power electronics and on the other hand, synthesize thick intrinsic and boron doped monocrystalline diamond films (>100 microns) on (111)-oriented substrates, crystallographic orientation which is well known to promote twinning. In a first part, a process of inflection and confinement of the dislocations has been developed using (100) pyramidal shape substrates coupled with specific growth conditions. This innovative and original study open the way for the fabrication of single crystal diamond films with low defect density. In a second part, the effect of different growth parameters has been studied to optimize our growth process for (111) orientation. It was thus demonstrated the existence of a narrow window of growth parameters pressure, microwavepower, temperature and methane concentration which ensures a good trade-off between crystalline quality and growth rate, allowing the synthesis of heavily boron-doped diamond thick films on this specific orientation, thus opening the possibility of combining the n-type doping efficiency and achieving vertical bipolar components for applications in hightemperaturehigh-voltage electronics

Design of a multiprocessor ASIC dedicated to smart camera

Suffisante pour exécuter les algorithmes à la cadence de ces capteurs d’images performants, tout en gardant une faible consommation d’énergie. Les systèmes monoprocesseur n’arrivent plus à satisfaire les exigences de ce domaine. Ainsi, grâce aux avancées technologiques et en s’appuyant sur de précédents travaux sur les machines parallèles, les systèmes multiprocesseurs sur puce (MPSoC) représentent une solution intéressante et prometteuse. Dans de précédents travaux à cette thèse, la cible technologique pour développer de tels systèmes était les FPGA. Or les résultats ont montré les limites de cette cible en terme de ressource matérielles et en terme de performance (vitesse notamment). Ce constat nous amène à changer de cible c’est-à-dire à passer sur cible ASIC nécessitant ainsi de retravailler profondément l’architecture et les IPs qui existaient autour de la méthode existante (appelée HNCP, pour Homogeneous Network of Communicating Processors). Afin de bénéficier de la performance offerte par la cible ASIC, les systèmes multiprocesseurs proposés s’appuient sur la flexibilité de son architecture. Combinés à des squelettes de parallélisation facilitant la programmabilité de l’architecture, les circuits proposés permettent d’offrir des systèmes supportant le portage en temps réels de différentes classes d’algorithme de traitement d’images. Le résultat de ce travail a abouti à la fabrication d’un circuit intégré à base d’un seul processeur et de ses périphériques en technologie ST CMOS 65nm dont la surface est d’environ 1 mm² et à la définition de 2 architectures multiprocesseurs flexibles basées sur le concept des squelettes de parallélisation (une architecture de 16 coeurs de processeur en technologie ST CMOS 65 nm et une deuxième architecture de 64 coeurs de processeur en technologie ST CMOS FD-SOI 28 nm).Smart sensors today require processing components with sufficient power to run algorithms at the rate of these high-performance image sensors, while maintaining low power consumption. Monoprocessor systems are no longer able to meet the requirements of this field. Thus, thanks to technological advances and based on previous works on parallel computers, multiprocessor systems on chip (MPSoC) represent an interesting and promising solution. Previous works around this thesis have used FPGA as technological target. However, results have shown the limits of this target in terms of hardware resources and in terms of performance (speed in particular). This observation leads us to change the target from FPGA to ASIC. This migration requires deep rework at the architecture level. Particularly, existing IPs around the method (called HNCP for Homogeneous Network of Communicating Processors) have to be revisited. To take advantage of the performance offered by the ASIC target, proposed multiprocessor systems are based on the flexibility of its architecture. Combined with parallel skeletons that ease programmability of the architecture, the proposed circuits allow to offer systems that support various real-time image processing algorithms. This work has led to the fabrication of an integrated circuit based on a single processor and its peripheral using ST CMOS 65nm technology with an area around 1 mm². Moreover, two flexible multiprocessor architectures based on the concept of parallel skeletons have been proposed (a 16 cores 65 nm CMOS multiprocessors and a 64 cores 28 nm FD-SOI CMOS multiprocessors)

Step flow growth of Mn5Ge3 films on Ge(111) at room temperature

International audienceThe very first stages of the non-diffusive growth of Mn5Ge3 thin films on Ge(111) substrates are characterized by several techniques. Mn5Ge3 films are grown by molecular beam epitaxy using the co-deposition of Mn and Ge atoms at room temperature. XRD measurements demonstrate that the thin films are monocrystalline. The evolution of the RHEED intensity during the deposition and the AFM images show a step-flow growth mode. RHEED patterns, combined with TEM images, prove that the lattice mismatch of 3.7% is accommodated by the formation of an array of interfacial dislocations and by the presence of a residual strain in the thin films. These observations are supported by the numerical calculations of the critical nucleation volumes exhibiting very similar values, in the case of a pseudomorphic growth or in the case of an accommodation of the lattice mis-match by interfacial dislocations. Furthermore, the effect Ge/Mn stoichiometric and Mn-rich fluxes on the surface morphology is examined

Ohmic contacts study of P + N diodes on (111) and (100) diamond

International audiencePseudo-vertical P + N diamond diodes are fabricated. We focused on the determination of specific contact resistance of Ti-based contacts for (111) and (100) p-type diamond layers doped around 10 19 at/cm 3 using circular Transfer Length Method (cTLM). Ohmic behavior is obtained and the variation of the specific contact resistance is discussed

Grafting polymer–protein bioconjugate to boron-doped diamond using aryl diazonium coupling agents

International audienc

Competitive actions of MnSi in the epitaxial growth of Mn5Si3 thin films on Si(111)

International audienceSome magnetically ordered phases of the Mn5Si3 crystal are proving to be prototypes for the study of thenew fundamental spin physics related to the spontaneous breaking of the time-reversal symmetry despite a zeronet magnetization. Here, we report on a route to grow epitaxial Mn5Si3 thin films on Si(111). To this end, weuse Mn and Si codeposition in a molecular beam epitaxy system and carefully tune the deposition rates, thegrowth temperature, and the annealing temperature. We assessed the silicide phase-formation and morphologyusing reflection high-energy electron diffraction, x-ray diffraction, high-resolution transmission electron mi-croscopy (HRTEM) and atomic force microscopy. Layers containing only Mn5Si3 could be stabilized undervery restrictive conditions, by tuning the Mn/Si flux ratio to match the compound stoichiometry and adjustingthe substrate temperature during growth to 443 K. HRTEM imaging revealed the existence of an interfacialamorphous layer of few nanometers thickness. Annealing the heterostructure up to 573 K led to the formationof MnSi at the vicinity of the Mn5Si3/Si(111) interface, which significantly reduced the nucleation barrier ofMn5Si3. High-quality crystalline Mn5Si3 thin films were then formed with the following epitaxial relationships:Mn5Si3 (0001)[011̄0]//MnSi(111)[2̄11]//Si(111)[11̄0]. Our experiments showed that the formation of MnSi isenhanced at a growth temperature above 473 K or for a longer annealing step, while the crystalline quality of theMn5Si3 overlayer is correspondingly degraded leading to textured thin films. The growth pathways and structuralproperties of the manganese silicides can be rationalized in terms of reactions maximizing the free-energylowering rate. Moreover, we found that the magnetic and the magnetotransport properties can be used as anefficient tool to track both Mn5Si3 crystallinity and proportion in the deposited layers