Effets des radiations spatiales sur les détecteurs CMOS à avalanche

Space radiation effects on CMOS avalanche based detectors

• Auteur / Autrice : Ali Jouni
• Direction : Vincent Goiffon
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Inscription en doctorat le 09/11/2020; Soutenance le 01/03/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique et télécommunications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ISAE-ONERA OLIMPES Optronique, Laser, Imagerie Physique et Environnement Spatial
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : ISAE/DEOS/GEET Département Electronique Optronique Signal

Mots clés

Mots clés libres

Spad

Radiations spatiales

Cmos

Semi-conducteurs

Effets ionisants

Déplacements atomiques

Spad

Space radiations

Cmos

Semiconductors

Ionizing effects

Displacement damages

Résumé

Les appareils intégrant une technologie CMOS en silicium pour la photodétection sont utilisés dans plusieurs domaines dont le spatial (LIDAR, caméra 3D pour les rovers, détection de rayonnement X et hautes énergies pour l'astrophysique,...). Ils ont connu de grandes améliorations au fil des années avec des meilleures performances de photodétection et des meilleurs rapports signal à bruit : ces avancées ont propulsé les capteurs CMOS en candidats idéaux pour la détection de rayonnement à photon unique. D'ailleurs, il existe déjà des solutions à cette problématique avec les photodiodes CMOS à avalanche en mode linéaire (APD) et en mode Geiger (SPAD). Néanmoins, et à partir d'un état de l'art détaillé de la technologie CMOS adapté aux photodiodes à avalanche, il faut réaliser une étude de leur comportement lorsqu'ils sont soumis à des radiations spatiales. En effet, une fois dans l'espace, les équipements sont soumis à des rayonnements de protons accélérés issus des ceintures de Van Allen ou directement des rayons cosmiques qui peuvent engrainer des déplacements atomique dans la structure cristalline en silicium, ou endommager ces dispositifs à semi-conducteurs via des effets ionisants. Dans ce travail, une modélisation de ces phénomènes dégradant la qualité des capteurs est proposée dans le but d'apporter des solutions permettant d'augmenter les performances des photodiodes CMOS à avalanche dans un tel environnement. Des tests de radiations sur ces technologies sont ensuite mis en place pour valider les hypothèses émises.

Devices incorporating silicon CMOS technology for photodetection are used in several fields including space (LIDAR, 3D camera for rovers, X-rays and high energies radiations detection for astrophysics, etc.). They have seen great improvements over the years with better photodetection performances and better signal-to-noise ratio: these improvements have propelled CMOS sensors into ideal candidates for single-photon detection. There are already solutions with CMOS avalanche photodiodes in linear mode (APD) and Geiger mode (SPAD). Nevertheless, and based on a detailed state of the art of CMOS avalanche based photodiodes, it is necessary to carry out a study of their behaviour when subjected to spatial radiations. Indeed, once in space, the equipment is subjected to accelerated proton radiations from the Van Allen belts or directly from cosmic rays which can cause displacement damages in the silicon crystalline structure, or bring ionizing effects in these semiconductor devices. In this work, a modelling of these phenomena degrading the quality of the sensors is proposed in order to provide solutions to increase the performances of CMOS avalanche based detectors in such an environment. Radiation tests on these technologies are then set up to validate the hypotheses made.