Étude et Réalisation de photomultiplicateurs de type APD Geiger

pixellisés à très haute sensibilité    

Khalil JRADIKhalil JRADI3éme année de thèse3éme année de thèse

Directeur de thèseDirecteur de thèse

A. Robert BAZER-BACHIA. Robert BAZER-BACHI

Plan Le travail de ma thèse a débuté par une étude bibliographique

sur le principe de fonctionnement d’une APD polarisée au delà de sa tension d’avalanche dans un mode appelé Geiger.

Un process de fabrication des Geiger-APD a été réalisé. Les composants caractérisés ont montré une bonne homogénéité de la tension de claquage Vbr, une maitrise des différentes étapes de la conception jusqu’à la fabrication et une progression prometteuse pour la poursuite du travail. Cependant, quelques défauts ont été constatés lors de l’étape de la caractérisation, concernant le bruit thermique et la sensibilité aux très fables flux lumineux. Le paramètre bruit, dépend fortement du type de substrat choisi lors de la définition du process. C’est pourquoi, on s’est dirigé dans le prochain process vers de substrats de bonne qualité avec une grande duré de vie. La sensibilité aux faibles flux lumineux est liée directement, quant à elle, au paramètre bruit, dont la diminution de ce dernier entrainera certainement l’amélioration de la sensibilité.

La suite logique de ce travail concerne la pixellisation du Geiger-APD dont la problématique principale se présente dans le pilotage et la lecture des données acquises par la matrice. Le circuit de lecture joue un rôle très important pour améliorer les différents paramètres comme : le temps mort, la vitesse d’acquisition etc. La conception fine de ce circuit pour qu’il s ’adapte à l’intégration du système de détection est un point très important dans ce domaine. Les photos ci-contre donnent quelques idées évoquées.

Travail à venirPour l’imagerie ultrarapide et ultrasensible, le système devient

très rapidement complexe avec une forte intégration multi pixels. L’avantage est la maîtrise de toutes les voies à tout instant.

Dans le travail consacré à l’imagerie, le choix d’une technologie est basé sur un premier process, qui a donné lieu à des composants unitaires. Des simulations du système global étudié sont en cours, afin de mettre au point un deuxième process qui améliorera les résultats précédents et mettra en place la base de la future imagerie.

Donc, le but est de réaliser un process qui fera le relais entre une étude et réalisation du Geiger-APD élémentaire, et sa pixellisation.

Imageur-SiPM SiPM Geiger-APD

Fonctionnement d’une Geiger-APD

Un photon absorbé par le Geiger-APD est à l’origine d’une avalanche au niveau de la ZCE (Jonction PN de la diode). L’impulsion générée aux bornes d’une résistance de charge est proportionnelle à celle vue aux bornes de la résistance de quenching (résistance de protection du Geiger-APD). Le temps mort est défini par la durée de décharge de la capacité C dans R.

Travail en coursLes études actuelles portent sur des simulations très précieuses,

dont le but est de définir les paramètres essentiels du prochain process technologique. Quelques résultas récents des simulations ont montré la possibilité de réaliser ce process avec le minimum du bruit thermique, une tension de claquage Vbr aux alentours de 30V, une sensibilité dans le visible et une meilleure efficacité quantique.

La prochaine étape sera donc, dans un premier temps, la mise au point final du process avant de commencer le travail en salle blanche (salle de réalisation technologique). Dans un second temps, la fabrication de composants prendra effet. L’étape de caractérisations électriques et optiques de ces composants suivra afin de comparer entre ces résultats et ceux de simulations.

Quelques idées ont été proposées et étudiées pour l ’imagerie et le système électronique lié. L’intégration de l’électronique avec les détecteurs sur la même puce est une étape très importante pour l’avancement de ce domaine.

Les deux schémas ci-dessus montrent deux manières différentes pour la réalisation d’un système d’imagerie complet comprenant les détecteurs et le système électronique à la fois. Le système appelé en Sandwich (figure 1), peut être considéré comme une évolution importante dans le monde de l’imagerie. Tandis-que le système classique (figure 2) reste une solution envisageable de sa facilité relative de réalisation, sa maitrise et son succès dans le monde de l’imagerie passée et actuelle. Cependant, ce système présente une limitation au niveau de la finition, la sensibilité et la rapidité strictement requises dans le domaine Geiger. une matrice de quelques centaines ou milliers de Geiger-APD peut être une bonne solution pour ce système mais la complicité augmente avec le nombre de cellule. La première structure garantit la meilleure solution pour un développement innovateur de l’imagerie Geiger.

BGA

FPGA

BGA

Couche de connexion

SU8 SU8

Figure 1 Figure 2

Vlecture

RésuméDe nos jours, il existe deux dispositifs pour détecter les faibles flux lumineux, qui sont : les Photomultiplicateurs (PM) et les Photodiodes à avalanche polarisées en mode Geiger (Geiger-APD).Le PM est un détecteur conçu dans les années 70, il présente des inconvénients majeurs comme l’influence aux champs magnétiques, la taille, le coût et le poids. Les GM-APD sont conçues pour la détection des très faibles flux lumineux (nano luminosités). Ce détecteur présente beaucoup d’avantages par rapport aux PM. Leurs applications sont nombreuses, notamment dans le domaine d’Astrophysique comme la détection du flash Cherenkov. Mon travail de thèse consiste a étudier et réaliser une matrice à haute densité des pixels, pour des applications dans tous les domaines d’observations, tels que les observations spatiales, l’imagerie médicale, la biologie, …

JdTCESR

2009