L'illumination par la face arrière amincie des imageurs CMOS est une des voies étudiées pour accroître le rapport signal à bruit et ainsi la sensibilité de ce capteur. Or cette configuration est adaptée à la détection des électrons dans la gamme d'énergie [[1 ; 12 keV]. L'électron incident crée, par multiplication, plusieurs centaines d'électrons secondaires, proche de la surface. Une couche de passivation par surdopage P++ de la face arrière est nécessaire afin de réduire le nombre de recombinaisons de surface des électrons. Par effet de champ électrique, la couche de passivation augmente le nombre de charges collectées, et ainsi le gain de collection du capteur. L'objectif de cette thèse est de développer des moyens de caractérisation pour déterminer in situ les performances sur le gain de collection de six procédés de passivation. Préalablement, le profil de dépôt d'énergie de l'électron incident est étudié au moyen d'une simulation Monte-Carlo puis d'un modèle analytique. Un modèle associé du gain de collection indique qu'à forte énergie, l'effet miroir de la passivation est déterminant tandis qu'à faible énergie, l'épaisseur de la passivation est un facteur clef. Une première expérience d'irradiation de diodes étendues P++=N permet de dégager l'influence du procédé de passivation sur les recombinaisons de surface. Grâce à une seconde caractérisation de type < événement unique >, directement sur capteur CMOS aminci, les passivations sont discriminées quant à leur effet miroir et l'étalement de la charge qu'elles induisent. Le recuit laser d'activation des dopants peut s'avérer une source d'inhomogénéités du gain sur la surface de la matrice

La métrologie fondamentale est la garante de la pérennité des systèmes de mesure et est en charge de fournir les étalons de références. En ce qui concerne la métrologie des rayonnements ionisants et, en particulier la métrologie des neutrons, des détecteurs étalons sont utilisés pour caractériser les champs de références, en énergie et en fluence. Les dosimètres ou détecteurs de particules sont étalonnés. Cette thèse présente le développement d’un spectromètre neutron candidat au statut d’étalon primaire pour la caractérisation de champs neutroniques dans la gamme 5-20 MeV. Le spectromètre utilise le principe du télescope à protons de recul comme moyen de détection ; la technologie CMOS, au travers de trois capteurs de positions, est mise à profit pour réaliser la trajectographie du proton de recul. Un détecteur Si(Li) est en charge de la mesure de l’énergie résiduelle du proton. Les simulations des dispositifs, réalisées sous MCNPX, ont permis d’estimer les performances du dispositif et de valider la procédure de reconstruction de l’énergie des champs neutroniques. Une étape essentielle de caractérisation des éléments du télescope et en particulier des capteurs CMOS est également proposée afin de garantir la validité de mesures expérimentales postérieures. Les tests réalisés aussi bien en champs mono-énergétiques qu’en champs étendus témoignent des très bonnes performances du système. La quantification des incertitudes indiquent une mesure de l’énergie avec une précision de plus de 1.5 % pour une résolution de moins de 6 %. La mesure de la fluence neutronique est quand a elle réalisée avec une incertitude de 4 à 6 %. / The fundamental metrology is responsible for the sustainability of the measurement systems and handles to supply the reference standards. Concerning the metrology of ionizing radiations and, in particular the neutron metrology, detectors standards are used to characterize reference fields, in terms of energy and fluence. The dosimeters or particle detectors are calibrated on these reference fields. This thesis presents the development of a neutron spectrometer neutron candidate to the status of primary standard for the characterization of neutron fields in the range from 5 to 20 MeV. The spectrometer uses the recoil proton telescope as detection principle; the CMOS technology, through three sensor positions, is taking advantage to realize the tracking of protons. A Si(Li) detector handles the measure of the residual proton energy. The device simulations, realized under MCNPX, allow to estimate its performances and to validate the neutron energy reconstruction. An essential step of characterization of the telescope elements and in particular of CMOS sensors is also proposed to guarantee the validity of posterior experimental measurements. The tests realized as well in mono-energy fields as in radionuclide source show the very good performances of the system. The quantification of uncertainties indicates an energy estimation with 1.5 % accuracy and a resolution of less than 6 %. The fluence measurement is performed with an uncertainty about 4 to 6%.

L'exposition du public au gaz radon 222Rn fait l'objet d'une attention croissante. Les méthodes traditionnelles de détection de radon étant soit peu flexibles, soit très chères, cette thèse présente le développement d'un dispositif électronique compact et autonome qui s'appuie sur les progrès récents en microélectronique pour la physique des particules. Le coeur du dispositif est un circuit intégré CMOS original (basse tension, faible consommation) qui assure à la fois les fonctions de capteur et de traitement. Les premiers tests, d'efficacité et en sources de particules alpha, s'appuient sur des simulations détaillées (TRIM, GEANT IV). Différents prototypes de cartes électroniques ont été développés pour d'une part la détection passive de radon à différentes concentrations et d'autre part la détection supplémentaire des descendants sur aérosols 218Po et 214Po qui contribuent de façon importante à l'irradiation α interne".Le système final est une carte miniaturisée au format CB, qui comprend quatre circuits pour la détection simultanée de radon et de ses descendants solides. Une excellente linéarité a été obtenue jusqu'à 80 kBq.m-3 sur le banc de test BACCARA au Laboratoire de Mesure des Aérosols de l‘IRSN à Saclay. Un circuit de deuxième génération est également proposé

Les futures grandes expériences de l'exploration des lois fondamentales de la Nature (e.g. ILC) exigent des détecteurs de vertex de résolution spatiale et de granularité poussées, très minces et radio-tolérants, qui sont hors de portée des technologies de détections actuelles. Ce constat est à l'origine du développement des Capteurs CMOS à Pixels Actifs. La résolution spatiale du capteur est une performance clé. Elle résulte de la répartition des charges libérées par une particule chargée traversant, et ionisant, le volume sensible. L'encodage de la charge collectée par chaque pixel repose sur un CAN (Convertisseur Analogique Numérique) intégrable à même le substrat abritant le volume sensible du capteur. Ce CAN doit être précis, compact, rapide et de faible consommation. L'objectif de cette thèse a donc été de concevoir un CAN répondant à ces exigences conflictuelles. D'abord, plusieurs architectures d'un échantillonneur-bloqueur-amplificateur ont été étudiées pour conditionner le faible signal des pixels. Une architecture originale de cet étage a été conçue. L'architecture pipeline du CAN a été choisie. La configuration de base de 1,5 bit/étage a été implémentée pour tester la validité du concept, puisqu'elle permet de minimiser les contraintes sur chaque étage. Nous avons optimisé l'architecture en introduisant le concept du double échantillonnage dans un premier temps sur une configuration de 2,5 bits/étage, ceci a permis de minimiser les dimensions et la puissance. Le double échantillonnage combiné avec la résolution de 1,5 bit/étage a constitué une seconde amélioration. Une nouvelle architecture du CAN adapté à la séquence des commandes des pixels a été proposée.

L'illumination par la face arrière amincie des imageurs CMOS est une des voies étudiées pour accroître le rapport signal à bruit et ainsi la sensibilité de ce capteur. Or cette configuration est adaptée à la détection des électrons dans la gamme d'énergie [[1 ; 12 keV]. L'électron incident crée, par multiplication, plusieurs centaines d'électrons secondaires, proche de la surface. Une couche de passivation par surdopage P++ de la face arrière est nécessaire afin de réduire le nombre de recombinaisons de surface des électrons. Par effet de champ électrique, la couche de passivation augmente le nombre de charges collectées, et ainsi le gain de collection du capteur. L'objectif de cette thèse est de développer des moyens de caractérisation pour déterminer in situ les performances sur le gain de collection de six procédés de passivation. Préalablement, le profil de dépôt d'énergie de l'électron incident est étudié au moyen d'une simulation Monte-Carlo puis d'un modèle analytique. Un modèle associé du gain de collection indique qu'à forte énergie, l'effet miroir de la passivation est déterminant tandis qu'à faible énergie, l'épaisseur de la passivation est un facteur clef. Une première expérience d'irradiation de diodes étendues P++=N permet de dégager l'influence du procédé de passivation sur les recombinaisons de surface. Grâce à une seconde caractérisation de type < événement unique >, directement sur capteur CMOS aminci, les passivations sont discriminées quant à leur effet miroir et l'étalement de la charge qu'elles induisent. Le recuit laser d'activation des dopants peut s'avérer une source d'inhomogénéités du gain sur la surface de la matrice / Backside illuminated thinned CMOS imaging system is a technology developed to increase the signal to noise ratio and the sensibility of such sensors. This configuration is adapted to the electrons detection from the energy range of [1 - 12 keV]. The impinging electron creates by multiplication several hundreds of secondary electrons close to the surface. A P++ highly-doped passivation layer of the rear face is required to reduce the secondary electron surface recombination rate. Thanks to the potential barrier induced by the P++ layer, the passivation layer increases the collected charges number and so the sensor collection gain. The goal of this study is to develop some experimental methods in order to determine the effect of six different passivation processes on the collection gain. Beforehand, the energy profile deposited by an incident electron is studied with the combination of Monte-Carlo simulations and some analytical calculations. The final collection gain model shows that the mirror effect from the passivation layer is a key factor at high energies whereas the passivation layer has to be as thin as possible at low energies. A first experimental setup which consists in irradiating P++=N large diodes allows to study the passivation process impacts on the surface recombinations. Thanks to a second setup based on a single event upset directly on thinned CMOS sensor, passivation techniques are discriminated in term of mirror effect and the implied spreading charges. The doping atoms activation laser annealing is turn out to be a multiplication gain inhomogeneity source impacting directly the matrix uniformity

Cette thèse est une contribution au document intitulé "Detector Baseline Document (DBD)" décrivant le conceptde détecteur ILD envisagé auprès du collisionneur linéaire international électron-positon ILC (acronyme del'anglais International Linear Collider).Les objectifs de physique de l'ILD nécessitent un détecteur de vertex (VXD) particulièrement léger, rapide et trèsgranulaire permettant d'atteindre une résolution sans précédent sur le paramètre d'impact des trajectoiresreconstruites des particules produites dans les interactions étudiées. Le principal objectif de cette thèse est demontrer comment optimiser les paramètres du VXD dans le cas ou il est composé de Capteurs à Pixels Actifsfabriqués en technologie industrielle CMOS (CAPS). Ce travail a été réalisé en étudiant la sensibilité desperformances d'étiquetage des saveurs lourdes et de la précision sur les rapports d'embranchement hadroniquedu boson de Higgs aux différents paramètres du VXD.Le cahier des charges du VXD, particulièrement ambitieux, a nécessité le développement d'une nouvelletechnologie de capteurs de pixels de silicium, les CAPS, dont le groupe PICSEL de l'IPHC est à l'origine. Lavitesse de lecture et l'influence des paramètres qui régissent la fabrication des capteurs en fonderie ont étéétudiées dans cette thèse, et des prototypesde CAPS ont été caractérisés sur faisceau de particules. Enfin, les performances de trajectométrie d'un VXDcomposé de CAPS a été évalué avec des études de simulation. / This thesis is a contribution to the " Detector Baseline Document ", describing the ILD detector which is intendedfor the International Linear Collider (ILC).The physics goals of the ILD call for a vertex detector (VXD) particularly light, rapid and very granular allowing toreach an unprecedented resolution on the impact parameter of the tracks that reconstruct the particles producedin the studied interactions. The principle goal of this thesis is to show how to optimise the parameters of the VXDin the case that is composed of Active Pixel Sensors manufactured in industrial CMOS technology (CAPS). Thiswork has been realised by studying the sensitivity of the performance of the heavy flavour tagging and theprecision on the hadronic branching fractions of the Higgs boson as a function of different sets of VXDparameters.The specifications of the VXD, particularly ambitious, call for the development of a novel silicon pixel sensorstechnology, the CAPS, which was pioneered by the PICSEL group of IPHC. The readout speed and the influenceof the fabrication parameters have been studied in this thesis, and CAPS prototypes have been characterised intest beams. Finally, the tracking performance of a CAPS based VXD has been evaluated with simulation studies.

La métrologie fondamentale est la garante de la pérennité des systèmes de mesure et est en charge de fournir les étalons de références. En ce qui concerne la métrologie des rayonnements ionisants et, en particulier la métrologie des neutrons, des détecteurs étalons sont utilisés pour caractériser les champs de références, en énergie et en fluence. Les dosimètres ou détecteurs de particules sont étalonnés. Cette thèse présente le développement d'un spectromètre neutron candidat au statut d'étalon primaire pour la caractérisation de champs neutroniques dans la gamme 5-20 MeV. Le spectromètre utilise le principe du télescope à protons de recul comme moyen de détection ; la technologie CMOS, au travers de trois capteurs de positions, est mise à profit pour réaliser la trajectographie du proton de recul. Un détecteur Si(Li) est en charge de la mesure de l'énergie résiduelle du proton. Les simulations des dispositifs, réalisées sous MCNPX, ont permis d'estimer les performances du dispositif et de valider la procédure de reconstruction de l'énergie des champs neutroniques. Une étape essentielle de caractérisation des éléments du télescope et en particulier des capteurs CMOS est également proposée afin de garantir la validité de mesures expérimentales postérieures. Les tests réalisés aussi bien en champs mono-énergétiques qu'en champs étendus témoignent des très bonnes performances du système. La quantification des incertitudes indiquent une mesure de l'énergie avec une précision de plus de 1.5 % pour une résolution de moins de 6 %. La mesure de la fluence neutronique est quand a elle réalisée avec une incertitude de 4 à 6 %.

Ce travail contribue au programme de recherche et de développement d'un capteur CMOS à pixel qui pourrait satisfaire pleinement les spécifications du nouvel ITS (Inner Tracking System : trajectomètre interne) de l'expérience ALICE. Afin de briser les limites de la CPS de pointe, une technologie CMOS 0.18 µm à quatre puits a été explorée. Les capteurs fabriqués dans cette nouvelle technologie ont montré une meilleure tolérance aux radiations que les capteurs réalisés dans une technologie CMOS 0.35 µm plus ancienne. En outre, cette nouvelle technologie offre la possibilité d’implémenter des transistors de type P dans chaque pixel sans dégrader la capacité de collection de la diode. Il devient donc possible d’intégrer un discriminateur dans chaque pixel et obtenir un pixel à sortie binaire. En conséquence, la consommation sera largement réduite. De plus, le temps de traitement de la ligne peut être potentiellement réduit. Un premier prototype de petite taille, intitulé AROM-0, a été conçu et fabriqué afin d’étudier la faisabilité de la discrimination de signal dans un petit pixel. Dans ce prototype, chaque pixel de surface 22 × 33 µm2 contient une diode de détection, un préamplificateur et un discriminateur à tension d’offset compensée. La performance de bruit des différentes versions de pixels dans le capteur AROM-0 a été évaluée. Ensuite sera détaillé le développement des capteurs AROM-1. Ce sont les capteurs intermédiaires vers le capteur final proposé par notre groupe. Ils ont deux objectifs principaux, l’un est de valider les optimisations de conception du pixel et l’autre est de mettre en place une architecture du capteur évolutive intégrant l’intelligence nécessaire dans le circuit. Cette thèse présente en détail la conception et les résultats de mesure de ces capteurs AROM. / This work is part of the R&D program aimed for a CMOS pixel sensor (CPS) complying with the requirements of the upgrade of the inner tracking system (ITS) of the ALICE experiment. In order break the limitations of the state-of-the-art CPS, a 0.18 µm quadruple-well CMOS process was explored. Besides an enhanced radiation tolerance, with respect to the former sensors fabricated in a 0.35 µm process, the sensor based on this new process allows for full CMOS capability inside the pixel without degradation of the detection efficiency. Therefore, the signal discrimination, which was formerly performed at the column level, can be integrated inside the pixel. As a result, the readout speed and power consumption can be greatly improved as compared to the CPS with column-level discrimination. This work addresses the feasibility study of achieving the signal discrimination withina small pixel (i.e. 22 × 33 µm2), via the prototype named AROM-0. The pixel of AROM-0 contains a sensing diode, a pre-amplifier and an offset compensated discriminator. The noise performance of the various pixel versions implemented in AROM-0 was evaluated. The study was further pursued with the AROM-1 prototypes, incorporating the optimized pixel designs and the necessary on-chip intelligence to approach the final sensor we have proposed for the ALICE-ITS upgrade. This thesis presents in detail the design and the measurement results of these AROM sensors.

Ce travail se place dans le contexte du détecteur de vertex (VXD) composé de capteurs CMOS pour l'ILC, et dans celui du télescope en faisceau du projet européen AIDA. La thèse inclut les tests en faisceau des éléments du télescope AIDA : les super-plans SALAT et les échelles double faces PLUME. Elle questionne la valeur ajoutée en terme d'alignement, des couches double faces de capteurs CMOS pour le VXD de l'ILD. Une nouvelle méthode d'alignement autonome de chacune des 3 double couches du VXD grâce aux mini-vecteurs construits sur chaque zone de recouvrement inter-échelle est proposée et a été testée avec des particules de haute impulsion. Cependant, seules les particules du bruit de fond faisceau, de plus basses impulsions, permettent l'obtention d'une statistique suffisante pour cet alignement. Ce bruit de fond a alors été étudié et une estimation des taux d'occupation des capteurs du VXD a conduit à une ré-estimation des vitesses de lecture des capteurs de chaque couche du VXD. / This work was conducted in the context of a vertex detector (VXD) composed of CMOS sensors for ILD and in the context of the beam telescope of the european project AIDA. The provides the results of beam tests for the new telescope components : the SALAT super-planes and the PLUME double sided ladders. The thesis adresses the added value in terms of alignment, of double sided layers of CMOS sensors for the VXD of ILD. A new standalone alignment method of each of the three double sided layers of VXD with the mini-vectors built on each overlapping zone between the consecutive ladders is analysed. Such alignment was validated with high momentum particles. However, only the beam background particles, with lower momentum, can provide the minimum statistic for this kind of alignment. Thus, the beam background noise was studied and the occupancy rate of the VXD sensors was studied. This led to a reassessment of the readout speed for the sensors of each layer of the VXD.

Nous étudions la sensibilité de Belle II avec 50 ab-1 de données sur l'angle βc du triangle d'unitarité, avec une mesure en fonction du temps de l'asymétrie de CP dans les désintégrations des mésons D0. Nous montrons que cette mesure est limitée statistiquement, avec une incertitude totale attendue de l'ordre de 3°. La mesure de βc nécessite la reconstruction de trajectoires de particules de très faible impulsion, impactée par le bruit de fond induit par SuperKEKB. Deux échelles PLUME vont être utilisées pour étudier ce bruit de fond. Ici, une étude des performances de PLUME est effectuée. Ainsi, la résolution spatiale avec des traces à 0° et 36° est mesurée, de 1,8 µm et 3,5µm respectivement. Par ailleurs nous proposons d'améliorer la mesure des faibles impulsions en utilisant la charge déposée par la particule dans le trajectomètre interne au silicium. L'estimateur permet d'améliorer par 2% la résolution sur l'impulsion pour les particules n'atteignant pas le trajectomètre interne. / We are studying the sensitivity of Belle II with 50 ab-1 data to the βc angle of the c-u unitarity triangle, with a time-dependent measurement of the CP asymmetry in the D0 decays. We show that such a measurement is still statistically limited, with a total expected incertitude of 3°.This measurement relies on the reconstruction of soft momenta, impacted by the SuperKEKB induced background.Two PLUME ladders will be used to study this background, therefore a study on the performances of PLUME was performed. The spatial resolution is of 1.8 µm and 3.5 µm for 0° and 36° tilted tracks respectivelly.We also propose to improve the estimation of soft momenta using the energy depositions of charged particles in the silicon layers of the inner tracker. Our estimator improves by approximately 2 % the resolution on momentum for particles which do not penetrate the central tracking system.