Modélisation, fabrication et évaluation des photodiodes à avalanche polarisées en mode Geiger pour la détection du photon unique dans les applications astrophysiques

• Auteur / Autrice : Denis Pellion
• Direction : Adnane Robert Bazer-Bachi, Daniel Estève
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microélectronique et instrumentation en astrophysique
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Détecteurs de rayonnement

Capteurs optiques

Astrophysique

Photodiodes

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

SiPM

Avalanche

Apd

Imageur

Geiger

Fpga

Photodiode

Astrophysique

Résumé

Il y a un siècle les scientifiques de la planète ont identifié un nouveau type de messagers venant de l'espace : les rayons cosmiques. Ce rayonnement est constitué de particules (photons et autres) de très haute énergie qui bombardent la terre en permanence. Le passage de rayonnements cosmiques dans l'atmosphère terrestre se traduit par la génération de brefs éclairs lumineux (5ns) d'une intensité très faible (1pW) : le flash Tcherenkov, visible du sol. Le meilleur détecteur de lumière est aujourd'hui le Photomultiplicateur (PMT), grâce à ses caractéristiques de sensibilité et de vitesse. Mais il présente quelques inconvénients : faible efficacité quantique, coût, poids etc. Nous présentons dans cette thèse une nouvelle technologie alternative : les compteurs de photons sur semi-conducteur, constitués de photodiodes polarisées en mode Geiger. Ce mode de fonctionnement permet d'obtenir un effet de multiplication au moins identique à celui des PMT. Un modèle physique et électrique a été développé, reproduisant le comportement de ce détecteur. Nous présentons ensuite dans ce travail un nouveau procédé technologique permettant la réalisation de ces dispositifs dans la centrale de technologie du LAAS-CNRS. Nous avons mis au point une fiche pour la caractérisation électrique des dispositifs, du mode statique au mode dynamique, et vérifié la conformité aux simulations SILVACO, et au modèle initial. Les résultats obtenus sont déjà excellents, compte tenu qu'il s'agit d'une première étape de prototypage, et comparables avec les résultats publiés dans la littérature. Ces composants sur silicium peuvent intervenir dans toutes les applications où il y a un photomultiplicateur. Les applications sont donc très vastes et la croissance du marché très rapide. Nous présentons une première expérience d'astrophysique installée au Pic du Midi qui a détecté des flashs Tcherenkov de rayons cosmiques avec cette nouvelle technologie à semi-conducteur.

The genesis of the work presented in this this is in the field of very high energy astrophysics. One century ago, scientists identified a new type of messenger coming from space: cosmic rays. This radiation consists of particles (photons or other) of very high energy which bombard the Earth permanently. The passage of cosmic radiations in the Earth's atmosphere results in the creation of briefs luminous flashes (5ns) of very low intensity (1pW), a Cherenkov flash, and then becomes visible on the ground. In the current state of the art the best detector of light today is the Photomultiplier tube (PMT), thanks to its characteristics of sensitivity and speed. But there are some drawbacks: low quantum efficiency, cost, weight etc. We present in this thesis a new alternative technology: silicon photon counters, made of photodiodes polarized in Geiger mode. This operating mode makes it possible to obtain an effect of multiplication comparable to that of the PMT. A physical and electrical model was developed to reproduce the behaviour of this detector. We then present in this thesis work an original technological process allowing the realization of these devices in the Central of Technology of LAAS-CNRS, with the simulation of each operation of the process. We developed a scheme for the electric characterization of the devices, from the static mode to the dynamic mode, in order to check conformity with SILVACO simulations and to the initial model. Results are already excellent, given this is only a first prototyping step, and comparable with the results published in the literature. These silicon devices can intervene in all the applications where there is a photomultiplier and replace it. The applications are thus very numerous and the growth of the market of these detectors is very fast. We present a first astrophysical experiment installed at the Pic du Midi site which has detected Cherenkov flashes from cosmic rays with this new semiconductor technology.