La tomographie d'émission par positrons (TEP) est un outil précieux en recherche préclinique et pour le diagnostic médical. Cette technique permet d'obtenir une image quantitative de fonctions métaboliques spécifiques par la détection de photons d'annihilation. La détection des ces photons se fait à l'aide de deux composantes. D'abord, un scintillateur convertit l'énergie du photon 511 keV en photons du spectre visible. Ensuite, un photodétecteur convertit l'énergie lumineuse en signal électrique. Récemment, les photodiodes avalanche monophotoniques (PAMP) disposées en matrice suscitent beaucoup d'intérêt pour la TEP. Ces matrices forment des détecteurs sensibles, robustes, compacts et avec une résolution en temps hors pair. Ces qualités en font un photodétecteur prometteur pour la TEP, mais il faut optimiser les paramètres de la matrice et de l'électronique de lecture afin d'atteindre les performances optimales pour la TEP. L'optimisation de la matrice devient rapidement une opération difficile, car les différents paramètres interagissent de manière complexe avec les processus d'avalanche et de génération de bruit. Enfin, l'électronique de lecture pour les matrices de PAMP demeure encore rudimentaire et il serait profitable d'analyser différentes stratégies de lecture. Pour répondre à cette question, la solution la plus économique est d'utiliser un simulateur pour converger vers la configuration donnant les meilleures performances. Les travaux de ce mémoire présentent le développement d'un tel simulateur. Celui-ci modélise le comportement d'une matrice de PAMP en se basant sur les équations de physique des semiconducteurs et des modèles probabilistes. Il inclut les trois principales sources de bruit, soit le bruit thermique, les déclenchements intempestifs corrélés et la diaphonie optique. Le simulateur permet aussi de tester et de comparer de nouvelles approches pour l'électronique de lecture plus adaptées à ce type de détecteur. Au final, le simulateur vise à quantifier l'impact des paramètres du photodétecteur sur la résolution en énergie et la résolution en temps et ainsi optimiser les performances de la matrice de PAMP. Par exemple, l'augmentation du ratio de surface active améliore les performances, mais seulement jusqu'à un certain point. D'autres phénomènes liés à la surface active, comme le bruit thermique, provoquent une dégradation du résultat. Le simulateur nous permet de trouver un compromis entre ces deux extrêmes. Les simulations avec les paramètres initiaux démontrent une efficacité de détection de 16,7 %, une résolution en énergie de 14,2 % LMH et une résolution en temps de 0.478 ns LMH. Enfin, le simulateur proposé, bien qu'il vise une application en TEP, peut être adapté pour d'autres applications en modifiant la source de photons et en adaptant les objectifs de performances.

L’objectif de cette thèse est de développer un détecteur innovant de particules chargées, dénommé 3D Silicon Coincidence Avalanche Detector (3D-SiCAD), réalisable en technologie silicium CMOS standard avec des techniques d’intégration 3D. Son principe de fonctionnement est basé sur la détection en "coïncidence" entre deux diodes à avalanche en mode "Geiger" alignées verticalement, avec la finalité d’atteindre un niveau de bruit bien inférieur à celui de capteurs à avalanche standards, tout en gardant les avantages liés à l’utilisation de technologies CMOS; notamment la grande variété d’offres technologiques disponibles sur le marché, la possibilité d’intégrer dans un seul circuit un système complexe de détection, la facilité de migrer et mettre à jour le design vers une technologie CMOS plus moderne, et le faible de coût de fabrication. Le détecteur développé dans ce travail se révèle particulièrement adapté au domaine de la physique des particules de haute énergie ainsi qu’à la physique médicale - hadron thérapie, où des performances exigeantes sont demandées en termes de résistance aux rayonnements ionisants, "material budget", vitesse, bruit et résolution spatiale. Dans ce travail, un prototype a été conçu et fabriqué en technologie HV-CMOS 0,35µm, en utilisant un assemblage 3D de type "flip-chip" avec pour finalité de démontrer la faisabilité d’un tel détecteur. La caractérisation du prototype a finalement montré que le dispositif développé permet de détecter des particules chargées avec une excellente efficacité de détection, et que le mode "coïncidence" réduit considérablement le niveau de bruit. Ces résultats très prometteurs mettent en perspective la réalisation d’un système complet de détection CMOS basé sur ce nouveau concept. / The objective of this work is to develop a novel position sensitive charged particle detector referred to as "3D Silicon Coincidence Avalanche Detector" (3D-SiCAD). The working principle of this novel device relies on a "time-coincidence" mode detection between a pair of vertically aligned Geiger-mode avalanche diodes, with the aim of achieving negligible noise levels with respect to detectors based on conventional avalanche diodes, such as Silicon Photo-Multipliers (SiPM), and, at the same time, providing single charged particle detection capability thanks to the high charge multiplication gain, inherent of the Geiger-mode operation. A 3D-SiCAD could be particularly suitable for nuclear physics applications, in the field of High Energy Physics experiments and emerging Medical Physics applications such as hadron-therapy and Proton Computed Tomography whose future developments demand unprecedented figures in terms of material budget, noise, spatial resolution, radiation hardness, power consumption and cost-effectiveness. In this work, a 3D-SiCAD demonstrator has been successfully developed and fabricated in the Austria Micro-Systems High-Voltage 0.35 μm CMOS technology by adopting a “flip-chip” approach for the 3D-assembling. The characterization results allowed demonstrating the feasibility of this novel device and validating the expected performances in terms of excellent particle detection efficiency and noise rejection capability with respect to background counts.