Effets des radiations spatiales sur les détecteurs CMOS à avalanche

Space radiation effects on CMOS single photon avalanche diodes (SPADs)

• Auteur / Autrice : Ali Jouni
• Direction : Vincent Goiffon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 04/09/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Optronique, laser, imagerie physique, environnement Spatial (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Président / Présidente : Francis Calmon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Francis Calmon, Philippe Paillet, Lodovico Ratti, Serena Mattiazzo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Paillet, Lodovico Ratti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effets des rayonnements

Semiconducteurs

Capteurs d'images CMOS

Rayonnement cosmique

Mots clés libres

Spad

Radiations spatiales

Cmos

Semi-Conducteurs

Effets ionisants

Déplacements atomiques

Spad

Space radiations

Cmos

Semiconductors

Ionizing effects

Displacement damages

Résumé

Le sujet de cette thèse traite des effets des radiations spatiales sur des détecteurs CMOS à avalanches, et particulièrement sur les dispositifs SPADs (pour Single Photon Avalanche Diode en anglais, ou photodiode à avalanche à photon unique). Ces photodiodes présentent un gain interne presque infini et sont donc sensibles à des très faibles conditions de lumières. Ainsi, avec en plus une excellente résolution temporelle, ces capteurs peuvent être très intéressant pour des applications spatiales nécessitant des mesures de temps de vols, comme la topographie d’objets célestes ou les Rendez-vous spatiaux. Cependant, l’espace est un environnement hostile du fait des radiations provenant du Soleil, des particules piégées dans la magnétosphère terrestre ainsi qu’au-delà du système solaire. De ce fait, dans le cadre de ces travaux de thèse, un modèle est mis en place pour prédire la dégradation du courant d’obscurité des SPADs, le Dark Count Rate (DCR), après des irradiations aux protons. Expérimentalement, deux technologies de matrices de SPADs sont irradiées avec des protons, des rayons X et des rayons γ. De ce fait, les effets ionisants et non-ionisants sont investigués pour ces capteurs à avalanches, et des différences en comparaison avec les pixelsdes capteurs d’images standard sont soulignées. Ensuite, les caractéristiques des défauts induits par la création d’états d’interface entre les oxides et le silicium et les dommages de déplacement atomique dans le substrat sont examinées, avec notamment la présence de comportement RTS (Random Telegraph Signal). Enfin, l’identification de la nature de ces défauts est réalisée par l’intermédiaire de recuits isochrones après l’expositions des matrices de SPADs aux trois différentes radiations mentionnées au-dessus.

The subject of this thesis deals with the effects of space radiation on CMOS avalanche detectors, particularly on Single Photon Avalanche Diodes (SPADs). These photodiodes exhibit nearly infinite internal gain and are therefore sensitive to very low light conditions. Thus, with excellent temporal resolution, these sensors can be very interesting for space applications requiring time-of-flight measurements, such as the topography of celestial objects or space Rendezvous. However, space is a hostile environment due to radiation from the Sun, particles trapped in the Earth’s magnetosphere, and beyond the solar system. Consequently, within the framework of this thesis work, a model is established to predict thedegradation of the dark current of SPADs, the Dark Count Rate (DCR), after proton irradiations. Experimentally, two SPAD array technologies are irradiated with protons, X-rays, and γ rays. Hence, ionizing and non-ionizing effects are investigated for these avalanche sensors, and differences compared to pixels of standard image sensors are highlighted. Subsequently, the characteristics of defects induced by the creation of interface traps between oxides and silicon and atomic displacement damage in the substrate are examined, including the presence of Random Telegraph Signal (RTS) behaviors. Finally, the nature of these defects is identified through isochronal annealing after irradiations of the SPAD arrays using the three different radiation types mentioned above.