Développement et caractérisation de l’ASIC de lecture du calorimètre à haute granularité de l'expérience CMS pour le HL-LHC.

Development and Characterization of the Readout ASIC for the High Granularity Calorimeter of the CMS Experiment for the HL-LHC.

• Auteur / Autrice : Sébastien Extier
• Direction : Christophe de La Taille, Alexandre Zabi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des particules
• Date : Soutenance le 26/09/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Organisation de Micro-Electronique Générale Avancée (Palaiseau, Essonne) - Organisation de Micro-Électronique Générale Avancée / OMEGA
• Jury : Président / Présidente : Imad Laktineh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe de La Taille, Alexandre Zabi, Abdenour Lounis, Emilie Maurice, Christine Hu
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Imad Laktineh, Abdenour Lounis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microélectronique

Circuits intégrés à la demande

Calorimètres

Grand collisionneur de hadrons

Mots clés libres

Rad-Hard

ASICs

Hl-Lhc

5D Imageur

Micoélectronique

Numérique

Rad-Hard

ASICs

Hl-Lhc

5D Imager

Microelectronic

Digital

Résumé

Le travail réalisé lors de cette thèse s’inscrit dans la dernière mise à jour des calorimètres bouchons de l’expérience du Solénoïde Compact à Muon (CMS) du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) devenant ainsi le LHC à Haute Luminosité (HL-LHC). Ce détecteur est le premier calorimètre imageur 5D en physique des particules avec plus de 6 millions de canaux de lecture, opérant dans un environnement hadronique intense avec plus de 8 milliards de collision par seconde. Ces contraintes imposées par l’environnement, la complexité de sa géométrie et les performances physiques recherchées force le développement d’un ASIC de lecture ce calorimètre ultra-granulaire (HGCal) à l’état de l’art. Cette thèse aborde donc l’impact d’un environnement fortement radiatif d’un collisionneur p-p sur la technologie CMOS 130nm ainsi que les méthodes de durcissement aux effets de dose cumulé (TID) et d’évènements singulier (SEE). Le dernier volet traitera l’analyse des données récoltées lors des campagnes d’irradiations en ions lourd, rayons-X et enfin en protons afin de valider la méthodologie de durcissement utilisées.

The work carried out in this thesis is part of the latest update of the endcap calorimeters of the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the Large Hadron Collider (LHC), which is now becoming the High Luminosity LHC (HL-LHC). This detector is the first 5D imager calorimeter in particle physics with over 6 million readout channels, operating in an intense hadronic environment with over 8 billion collisions per second. These constraints. imposed by the environment, the complexity of its geometry, and the desired physical performance necessitate the development of a state-of-the-art readout ASIC for this ultra-granular calorimeter (HGCal). This thesis therefore addresses the impact of a highly radiative environment of a p-p collider on 130nm CMOS technology, as well as the hardening methods against cumulative dose effects (TID) and single event effects (SEE). The final part will focus on the analysis of data collected during campaigns of irradiation with heavy ions, X-rays, and finally protons to validate the hardening methodology used.