Studies and development of a readout ASIC for pixelated CdTe detectors for space applications

摘要

Le travail présenté dans ce manuscrit a été effectué au sein de l équipe de microélectronique de l Institut de Recherche sur les lois Fondamentales de l Univers (IRFU) du CEA. Il s inscrit dans le contexte de la spectro-imagerie X et gamma pour la recherche en Astrophysique. Dans ce domaine, les futures expériences embarquées à bords de satellites nécessiteront des instruments d imagerie à très hautes résolutions spatiales et énergétiques.La résolution spectrale d une gamma-camera est dégradée par l imperfection du détecteur lors de l interaction photon-matière lui-même et par le bruit électronique. Si on ne peut réduire l imprécision de conversion photon-charge du détecteur, on peut minimiser le bruit apporté par l électronique de lecture. L objectif de cette thèse est la conception d une électronique intégrée de lecture de détecteur semi-conducteurs CdTe pixélisés pour gamma-caméra(s) compacte(s) et aboutable(s) sur 4 côtés à résolution spatiale Fano limitée . Les objectifs principaux de ce circuit intégré sont: un très bas bruit pour la mesure d énergie des rayons-X, une très basse consommation, et une taille de canal de détection adaptée au pas des pixels CdTe. Pour concevoir une telle électronique, chaque paramètre contribuant au bruit doit être optimisé. L hybridation entre l électronique de lecture et le détecteur est également un paramètre clef qui fait généralement la résolution finale de l instrument : en imposant une géométrie matricielle à l ASIC adaptée au pas de 300 m des pixels de CdTe, on peut espérer, réduire d un facteur 10 la capacité parasite amenée par la connexion détecteur-électronique et améliorer d autant le bruit électronique tout en conservant une densité de puissance constante. Une bonne connaissance des propriétés du détecteur nous permet alors d extraire ses paramètres électroniques clefs pour concevoir l architecture électronique de conversion et de filtrage optimale. Dans le cadre de cette thèse j ai conçu deux circuits intégrés en technologies CMOS XFAB 0.18 m. Le premier, Caterpylar, est destiné à caractériser cette nouvelle technologie, y compris en radiation, identifier un étage d entrée pour le pixel adapté au détecteur, et valider par la mesure les résultats théoriques établis sur deux architectures de filtrage, semi gaussien et Multi-Correlated Double Sampling (MCDS), approchant l efficacité du filtrage optimal et adaptées aux applications finales. Le deuxième circuit, D2R1, est un système complet, constitué de 256 canaux de lecture de détecteur CdTe, organisés dans une matrice de 16.16 pixels. Chaque canal comprend un préamplificateur de charge adapté à des pixels de 300 m.300 m, un opérateur de filtrage de type MCDS de profondeur programmable, d un discriminateur auto-déclenché à bas seuil de détection programmable par canal. L ASIC a été caractérisé sans détecteur et est en voie d être hybridé à une matrice de CdTe très prochainement. Les résultats de caractérisations de la puce nue, en particulier en terme de produit puissance . bruit, sont excellents. La consommation de la puce est de 315 W/ canal, la charge équivalente de bruit mesurée sur tous les canaux est de 29 électrons rms. Ces résultats valident le choix d intégration d un filtrage de type MCDS, qui est, à notre connaissance une première mondiale pour la lecture de détecteurs CdTe. Par ailleurs, ils nous permettent d envisager d excellentes résolutions spectrales de l ensemble détecteur+ASIC, de l ordre de 600 eV FWHM à 60 keV.