Développement d'un capteur de nouvelle génération et son électronique intégrée pour les collisionneurs futurs

• Main Author: Deptuch, Grzegorz
• Language: ENG
• Published: Université Louis Pasteur - Strasbourg I 2002
• Subjects: [SPI:NANO] Engineering Sciences/Micro and nanotechnologies/Microelectronics; [PHYS:HEXP] Physics/High Energy Physics - Experiment; [PHYS:PHYS:PHYS_INS-DET] Physics/Physics/Instrumentation and Detectors; Détecteurs à état solide sensibles à la position; Détecteurs à pixels<br />actifs; Détecteurs monolithiques; CMOS; VLSI; Système sur puce; Trajectographie<br />des particules; Imagerie; Simulation de dispositif; Bas bruit; Tenue aux rayonnements
• Online Access: http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011109; http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/04/91/25/PDF/these_deptuch.pdf

Les détecteurs de vertex sont importants pour les expériences de la physique des particules, car la connaissance de la saveur présente dans un événement deviendra une question majeure dans le programme de physique auprès du Futur Collisionneur Linéaire. Un capteur monolithique à pixels actifs (MAPS) basé sur une structure originale a été proposé. Le capteur est inséparable de son électronique de lecture, puisque les deux sont intégrés sur la même tranche de silicum basse résistivité qui constitue le substrat classique pour une technologie CMOS. La configuration de base est composée uniquement de trois transistors et d'une diode qui collecte par diffusion thermique la charge. Celle-ci est générée dans la couche épitaxiale mince, non-désertée en dessous du circuit de lecture. Cela permet d'obtenir un détecteur mince, de haute résolution, d'une surface entièrement sensible à la radiation et d'un faible coût de fabrication. Les simulations détaillées ont été effectuées en utilisant le logiciel ISE-TCAD pour étudier le mécanisme de collection de charge. Quatre prototypes ont été fabriqués en technologies CMOS submicroniques pour démontrer la viabilité de cette technique. Le gain des pixels a été calibré par irradiation à l'aide d'une source 55Fe et en appliquant la méthode fondée sur la séquence de Poisson. Les prototypes ont été également exposés aux faisceaux de particules de haute énergie au CERN. D'excellentes performances de détection ont été prouvées. Elles s'expriment par un rapport signal sur bruit supérieur à 30, une résolution spatiale de 1.5 μm et une efficacité de détection proche de 100%. Les tests d'irradiation ont démontré une résistance aux flux de neutrons jusqu'a quelques 1012 n/cm2 et une résistance aux rayonnements ionisants jusqu'à quelques centaines kRad. Des idées futures telles que l'amplification du signal sur le pixel, le double échantillonnage ainsi que la conception d'un pixel en mode courrant ont été également présentées.