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Khalil JRADI 3éme année de thèse Directeur de
thèse A. Robert BAZER-BACHI
JdT CESR 2009
Étude et Réalisation de photomultiplicateurs de
type APD Geiger pixellisés à très haute
sensibilité   
Résumé De 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 linfluence 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 davantages par rapport aux PM.
Leurs applications sont nombreuses, notamment
dans le domaine dAstrophysique 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 dobservations, tels que
les observations spatiales, limagerie médicale,
la biologie,
Fonctionnement dune Geiger-APD Un photon absorbé
par le Geiger-APD est à lorigine dune avalanche
au niveau de la ZCE (Jonction PN de la diode).
Limpulsion générée aux bornes dune 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.
Plan Le travail de ma thèse a débuté par une
étude bibliographique sur le principe de
fonctionnement dune APD polarisée au delà de sa
tension davalanche 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 jusquà la fabrication et une
progression prometteuse pour la poursuite du
travail. Cependant, quelques défauts ont été
constatés lors de létape 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. Cest
pourquoi, on sest 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 lamélioration
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
dacquisition etc. La conception fine de ce
circuit pour quil s adapte à lintégration du
système de détection est un point très important
dans ce domaine. Les photos ci-contre donnent
quelques idées évoquées.
Travail en cours Les 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.
Létape de caractérisations électriques et
optiques de ces composants suivra afin de
comparer entre ces résultats et ceux de
simulations.
Les deux schémas ci-dessus montrent deux manières
différentes pour la réalisation dun système
dimagerie 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 limagerie. 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 limagerie 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 limagerie Geiger.
Travail à venir Pour limagerie ultrarapide et
ultrasensible, le système devient très rapidement
complexe avec une forte intégration multi pixels.
Lavantage est la maîtrise de toutes les voies à
tout instant. Dans le travail consacré à
limagerie, le choix dune 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.