La recherche en médecine et en biologie s'appuie sur des appareils de mesure divers qui facilitent le diagnostic et le suivi du traitement. Parmi ces appareils, ceux visant l'imagerie moléculaire, par exemple la tomographie d'émission par positrons (TEP), se démarquent par leur capacité à apercevoir les signes distinctifs des maladies comme le cancer dès les premiers stades, et ce grâce à des traceurs métaboliques et/ou fonctionnels spécifiques. En plus du diagnostic, ces appareils permettent de mieux comprendre et étudier ces maladies en vue de développer de nouveaux ou meilleurs traitements. Pour appuyer les biologistes et médecins dans leur travail, les développeurs cherchent toujours à améliorer la qualité des images TEP, notamment grâce à la mesure du temps de vol (TDV) des rayons ionisant issus du positron. Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke propose un concept de détecteur novateur destiné aux scanners TEP avec TDV, suivant la chaîne de détection connue d'un cristal scintillateur, un photodétecteur et l'électronique de lecture. L'architecture proposée exploite une matrice de photodiodes à avalanche monophotonique (PAMP) à numérisation directe plutôt que par somme en courant. Cette méthode permet de distinguer et compter individuellement chaque photon lumineux sortant du scintillateur, à condition que l'électronique frontale soit assez rapide dans les conditions d'utilisation normale. Afin de maximiser ce potentiel, toute l'électronique doit être intégrée à même le photodétecteur. Puisque l'électronique de détection et de traitement partage a priori la même surface de semi-conducteur, les concepteurs doivent choisir un équilibre entre la surface sensible et le niveau d'intelligence intégrée. Or, la densité croissante des canaux de détection TEP exige de plus en plus de traitement en temps réel pour avoir un appareil d'intérêt pour les biologistes. L'intégration verticale apparaît comme la solution naturelle pour ce problème en permettant de placer les circuits intelligents sous la matrice de photodétection. Ce projet de doctorat vise la conception de l'architecture d'acquisition et l'intégration des sous-systèmes électroniques de ce microsystème. Ces travaux ont mené au développement d'un discriminateur de bruit numérique sans dégradation de la mesure temporelle, à la fabrication et la caractérisation d'un prototype d'architecture à intégration verticale avec un circuit de conversion temps numérique (CTN) par canal, et enfin à une étude qui guidera les développements futurs pour la conception de détecteurs à plusieurs CTN. Ces contributions sont détaillées en trois articles distincts intégrés à la thèse. La recherche conclu que pour le cristal LYSO, d'avoir un ou quelques CTN précis et à faible gigue est plus importante que d'en avoir en grand nombre. Par contre, pour les matériaux à venir, ce nombre de CTN aura aussi un impact significatif sur le résultat final, changeant ainsi le paradigme initial de conception du microsystème.

Depuis l'invention du scanner, les détecteurs à intégration de charges sont largement employés pour les applications d'imagerie biomédicale utilisant des rayons X. Néanmoins, des alternatives existent. Les développements réalisés en instrumentation pour les expériences en physique des hautes énergies ont permis l'émergence d'une nouvelle technologie de détection directe à base de semiconducteur. Cette nouvelle technologie, appelée détecteur à pixels hybrides, fonctionne en mode comptage de photons et permet de sélectionner l'énergie minimum des photons comptés. Le groupe imXgam du CPPM développe le démonstrateur PIXSCAN, un tomodensitomètre à rayons X basé sur le détecteur à pixels hybrides XPAD. L'objectif de ce développement est d'évaluer l'impact de la technologie à pixels hybrides sur la qualité des images et sur la dose délivrée lors d'examens tomodensitométriques du petit animal. Suite à un premier prototype de détecteur à pixels hybrides XPAD1 démontrant la faisabilité du projet, un imageur complet XPAD2 a été conçu et intégré dans le démonstrateur PIXSCAN. Depuis, avec l'évolution de l'industrie de la microélectronique, des améliorations notables ont été envisageables. Pour réduire la taille des pixels et améliorer la précision en énergie des détecteurs, une troisième version XPAD3 a été développée et sera prochainement intégrée dans un démonstrateur PIXSCAN de deuxième génération. Dans ce projet, mon travail de thèse a porté sur une participation à la conception des électroniques de lecture des détecteurs, la caractérisation des circuits et des détecteurs à pixels hybrides ainsi que sur la définition d'une architecture d'autocalibration des pixels en énergie.

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.