Développement d’un capteur à pixels CMOS durci aux radiations pour le détecteur de vertex de l’expérience CBM

Radiation hardened design of CMOS pixel sensor for the micro-vertex detector of the CBM experiment

• Auteur / Autrice : Yue Zhao
• Direction : Yann Hu, Jérôme Baudot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/02/2021
• Etablissement(s) : Strasbourg
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (Strasbourg ; 2006-....)
• Jury : Président / Présidente : Wilfried Patrick Uhring
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Orsini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Goiffon, Marlon Barbero

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Appareils électroniques -- Effets des rayonnements

Détecteurs de rayonnement

Mots clés libres

Capteurs à pixels CMOS

Effets d'événement unique

Effet de dose d'ionisation totale

Durcissement aux rayonnements par conception

CMOS pixel sensors

Single-event effects

Total ionization dose effects

Radiation-hardening-by-design

Résumé

L’expérience CBM (compressed baryonic matter) étudiera le diagramme de phase de la matière nucléaire à des densités extrêmes, en observant des collisions or-or ou proton-or. Le détecteur Microv Vertex (MVD), l’instrument le plus proche des collisions, est conçu à l'aide de capteurs à pixels CMOS. Ces collisions produisent de nombreuses particules très ionisantes, telles que des ions or, carbone ou des protons. Ces rayonnements peuvent générer différents types de perturbations dans les capteurs du MVD : effets d'événement unique (SEE), effets de dose d'ionisation totale (TID) et dommages par déplacement. Cette thèse propose une méthode de durcissement aux rayonnements par conception (RHDB) qui respecte les principales contraintes des capteurs imposées par l’expérience, notamment leur taille. En identifiant les fonctionnalités critiques du circuit et avec des simulations dédiées, nous introduisons une conception HRDB de manière sélective dans deux parties numériques des capteurs du MVD et réussissons ainsi à augmenter significativement leur résistances aux SEE. Il s’agit de l’architecture de lecture des données et d’un circuit à boucle de verrouillage (PLL).

The compressed baryonic matter experiment (CBM) will explore the behaviour of nuclear matter at extreme densities using Gold-Gold or proton-Gold collisions. The Micro Vertex Detector (MVD) is the CBM instrument closest to the collisions and is being designed using CMOS pixel sensors. The high-ionization particles generated by these collisions, such as gold or carbon ions and protons, may introduce radiation effects into the MVD sensors, such as: single-event effects (SEE), total ionization dose (TID) effects and displacement damages. In this thesis, we derive a method to implement radiation-hardening-by-design (RHBD) without compromising the essential features of the CMOS circuits, essentially its size. Using dedicated simulations and considering critical functionalities, we selectively introduced RHDB in two digital parts of the MVD sensor prototype, hardening them considerably against SEE : the read-out architecture and a phase-locked loop circuit.