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Sujets de thèse
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DRF : Sujet de thèse SL-DRF-17-0892

DOMAINE DE RECHERCHE
Physique des particules / Physique corpusculaire et cosmos
INTITULÉ DU SUJET Français English

Détecteur Pixel MOS à Grille Piégeante

RÉSUMÉ DU SUJET

Motivations

Une des motivations première de cette proposition de thèse provient de la physique des particules. Les détecteurs de vertex actuels ne satisfont pas la plupart des exigences techniques requises en particulier en termes de compacité et de vitesse, de résolution point à point en dépit de progrès réalisés avec des capteurs CMOS, en ce qui concerne la résolution spatiale. Récemment I'IRFU a proposé un nouveau dispositif fondé sur les principes de fonctionnement différents du capteur CMOS. La principale caractéristique de ce dispositif est d'éliminer la diode de collecte remplacée par une grille de type nouveau, nommée ici grille piégeante (DTG, ou Deep Trapping Gate), donnant naissance à un nouveau dispositif MOS, le TRAMOS (Trapping Mos). Cela conduit à réduire significativement les dimensions du pixel, par l’empilement du transistor de lecture et de l’électrode de détection et l’élimination du transistor de polarisation. Des simulations ont montré la validité du principe [1-2-3]. Les applications en dehors de la physique de base pourraient inclure l'imagerie, de la lumière visible aux photons X, surtout quand une tolérance élevée aux radiations ionisantes et non ionisantes est requise. De par sa compacité et son mode de fonctionnement pour la première variante, la tolérance aux défauts de déplacements devrait être beaucoup plus grande que pour les capteurs CMOS classiques (MAPS [4]).

Les autres technologies étudiées jusqu'à présent sont basées sur les capteurs CMOS (pour lequel l'Irfu / Saclay a été impliqué), les CCD et la DEPFET (FET déserté). Le capteur CMOS utilise une diode pn en tant qu’élément détecteur. Le DEPFET utilise la modulation du canal par la charge localisée dans un puit de potentiel, et les CCD le transfert de charge entre deux cellules voisines. La seule technologie pixel qui soit implémentée à une large échelle est cela basée sur l’hybridation d’un détecteur silicium sur un puce silicium, mais la taille de ces détecteurs limite leur résolution spatiale, malgré de bonnes performances en vitesse de lecture. Ces technologies une à une ne satisfont pas toutes les contraintes réunies : vitesse, réduction des dimensions et tolérance aux rayonnements an particulier hadroniques. Jusqu'à présent, seuls les détecteurs CMOS entièrement intégrés à l’électronique de lecture ont une résolution spatiale suffisante malgré une tolérance aux défauts de déplacement trop limitée. Une solution globale bonne pour les détecteurs pixels devrait être un point de départ pour un développement réussi, le TRAMOS est alors une solution. D’autres pixels basés sur des matériaux dont les défauts d’irradiation peuvent recuire à des températures suffisamment basses comme le germanium sont une alternative crédible qui pourra être étudiée parallèlement aux détecteurs TRAMOS, essentiellement par simulation si le temps et les moyens le permettent.

CONTENU DU TRAVAIL DE THESE :

Les trois années devraient principalement être dévolues au développement technologique de ces structures de détection, en utilisant principalement les facilités fournies par certaines plates-formes technologiques (CNRS-CEA). Le travail proposé devrait inclure des simulations TCAD (technologiques) et les mesures des structures de test et sous certaines conditions l’étude des effets des rayonnements sur les (s) dispositifs développés. A l'issue de cette période, le (la) candidat(e) aura acquis des connaissances nouvelles et une expérience certaine dans les domaines de la détection de particules et de la physique et technologie des semiconducteurs. Les caractérisations électriques et structurales des dispositifs seront nécessaires au cours de l'avancement du travail de thèse en collaboration avec les laboratoires partenaires. Après quoi, plus fondamentalement, le (la) candidate devra simuler physiquement le fonctionnement d’un tel détecteur et évaluer son potentiel pour la physique des particules, le collisionneur linéaire international (ILC) étant l'objectif principal, les futures expériences LHC étant un objectif à court terme. D'autres applications de ces technologies sont l'astrophysique, la physique nucléaire et de physique médicale. Une bonne formation en physique fondamentale sera nécessaire, ou devrait être acquise au cours de l'avancement des travaux en vue de défendre le travail sous la forme d’une thèse générale et d’importance. Un des buts du travail de ce travail est d’obtenir des éléments permettant de déterminer quel type de pixel est le plus adapté à court et à long termes aux exigences de la physique des particules, au cours du travail, de thèse il devrait être possible de choisir entre un développement final pour deux variantes de départ de pixels TRAMOS. Dans un premier temps le travail de thèse concernera l’étude préalable de deux options permettant le fonctionnement du TRAMOS. Au préalable un travail expérimental de petite ampleur devra être fait pour s’assurer de fonctionnalité physique de la grille piègeante, au moyen de mesures électriques et optiques essentiellement.

[1] “A novel CMOS detector based on a deep trapping gate”, Nicolas T. Fourches, Nucl. Sci. Symp. Conf. Rec. (NSS/MIC, 2010), p 655-658, 2010, Knoxville, Tennessee: http://10.1109/NSSMIC.2010.5873840

[2] “Silicon MOS Pixel Based on the Deep Trapping Gate Principle: Design and Material Science Challenges”, Nicolas T. Fourches et al. http://arxiv.org/abs/1412.8043

[3] "“Ultimate Pixel Based on a Single Transistor with Deep Trapping Gate”, N. T. Fourches, 2017, accepted ,to be published in TED

[4] “Device simulation of Monolithic Active Pixel Sensors: Radiation damage effects”, NT. Fourches, Nuclear Science Symposium Record, Pages 2523-2529, and in IEEE Transactions On Nuclear Science, Vol. 56, No.6, December 2009, Pages 3743-3751, http://10.1109/TNS.2009.2031540

FORMATION NIVEAU MASTER RECOMMANDÉ

Etudiant(e) niveau master ou équivalent , axé sur la physique expérimentale

INFORMATIONS PRATIQUES
Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'univers
Service d'Electronique, des Détecteurs et d'Informatique
DÉtecteurs: PHYsique et Simulation
Centre : Saclay
Date souhaitée pour le début de la thèse : 01/09/2017
PERSONNE À CONTACTER PAR LE CANDIDAT

Nicolas FOURCHES  

CEA
DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS
CEA/Saclay, DSM/IRFU/SEDI/DePhys, Bat 141 , 911191 GIF/YVETTE CEDEX

Téléphone : +33 1 69 08 61 64

UNIVERSITÉ / ÉCOLE DOCTORALE
Paris-Saclay
PHENIICS
DIRECTEUR DE THÈSE

Nicolas FOURCHES

CEA
DRF/IRFU/SEDI/DEPHYS
CEA/Saclay, DSM/IRFU/SEDI/DePhys, Bat 141 , 911191 GIF/YVETTE CEDEX