Développement d’une nouvelle génération de détecteurs micro-structurés à base de semi-conducteurs pour l’imagerie médicale de rayons X

Development of a new generation of micro-structured semi-conductor detectors for X-rays medical imaging

• Auteur / Autrice : Marie-Laure Avenel Le Guerroué
• Direction : Alexandre Semerok
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/05/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Détecteurs
• Jury : Président / Présidente : Henri Benisty
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Semerok, Henri Benisty, Christian Morel, Peter von Ballmoos, Franck Delmotte, Eric Gros d'Aillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Morel, Peter von Ballmoos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Usinage par laser

Semiconducteurs à l'arséniure de gallium

Rayons X

Mots clés libres

Détecteur de rayons X

GaAs

CdTe

Détecteur micro-structuré

Usinage laser

Structure 3D

X-rays detector

GaAs

CdTe

Micro-structured detector

Laser micro-machining

3D structure

Résumé

L’amélioration des performances des détecteurs (au niveau de la résolution en énergie et de la résolution spatiale) pour la radiographie X médicale par l’utilisation d’un semi-conducteur montre l’intérêt de remplacer les détecteurs à base de cristaux scintillateurs (majorité des systèmes commerciaux) par un détecteur à base de semi-conducteur. Avec une perspective de respect environnemental, ces travaux portent sur le développement d’une nouvelle génération de détecteurs à base de semi-conducteur, différent du CdTe, pour l’imagerie médicale de rayons X fonctionnant en mode comptage, ce qui permet la réduction de la dose de rayonnement envoyée sur le patient. Deux axes de recherches en découlent, avec le choix d’un nouveau matériau semi-conducteur, le GaAs semi-isolant et d’une nouvelle géométrie de détection, la géométrie 3D.Ces travaux ont consisté à évaluer expérimentalement le semi-conducteur, afin de choisir un matériau (fournisseur, croissance) et une électrode métallique qui ont la capacité de compter des photons. Puis, la structure de détection, au travers de caractérisations des procédés technologiques nécessaires pour la réalisation de la géométrie 3D (usinage des électrodes, dépôt des électrodes, connexion à un circuit électronique) et de la validation du concept avec un dispositif de test, a été également étudiée. Enfin, les premiers résultats d’un détecteur 3D à base de GaAs semi-isolant, montrant la concrétisation de ces objectifs, sont proposés.

In X-ray medical imaging, semi-conductors tend to replace scintillator crystals (most of the commercial devices), thank to their higher spatial resolution and energy resolution. Counting mode is another tendency, because it allows reducing the radiation dose delivered to the patient. This work aims at developing a new generation of semi-conductor detectors, different from CdTe / CdZnTe for environmental concerns, and associated with a new detection structure (3D geometry). Semi-insulating GaAs from specific growth and supplier, with adapted metallic electrodes, shows the ability to count photons. Then, a proof of concept of the 3D geometry is provided, through the characterization of electrodes machining in bulk material, metal deposition and connection to a read-out electronic circuit. Finally, the achievement of these objectives is reflected in the preliminary characterization of 3D detector based on semi-insulating GaAs.