Résumé : Les photodiodes à avalanche monophotonique (SPAD) sont d'intérêts pour les applications requérant la détection de photons uniques avec une grande résolution temporelle, comme en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. En fait, les matrices de SPAD, souvent appelés photomultiplicateurs sur silicium (SiPM), remplacent graduellement les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les photodiodes à avalanche (APD). De plus, il y a une tendance à utiliser les matrices de SPAD en technologie CMOS afin d'obtenir des pixels intelligents optimisés pour la résolution temporelle. La fabrication de SPAD en technologie CMOS commerciale apporte plusieurs avantages par rapport aux procédés optoélectroniques comme le faible coût, la capacité de production, l'intégration d'électronique et la miniaturisation des systèmes. Cependant, le défaut principal du CMOS est le manque de flexibilité de conception au niveau de l'architecture du SPAD, causé par le caractère fixe et standardisé des étapes de fabrication en technologie CMOS. Un autre inconvénient des matrices de SPAD CMOS est la perte de surface photosensible amenée par la présence de circuits CMOS. Ce document présente la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués dans une technologie CMOS commerciale (Teledyne DALSA 0.8µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Des modifications de procédé sur mesure ont été introduites en collaboration avec l'entreprise CMOS pour optimiser les SPAD tout en gardant la compatibilité CMOS. Les matrices de SPAD produites sont dédiées à être intégrées en 3D avec de l'électronique CMOS économique (TDSI) ou avec de l'électronique CMOS submicronique avancée, produisant ainsi un SiPM 3D numérique. Ce SiPM 3D innovateur vise à remplacer les PMT, les APD et les SiPM commerciaux dans les applications à haute résolution temporelle. L'objectif principal du groupe de recherche est de développer un SiPM 3D avec une résolution temporelle de 10 ps pour usage en physique des hautes énergies et en imagerie médicale. Ces applications demandent des procédés fiables avec une capacité de production certifiée, ce qui justifie la volonté de produire le SiPM 3D avec des technologies CMOS commerciales. Ce mémoire étudie la conception, la caractérisation et l'optimisation de SPAD fabriqués en technologie TDSI-CMOSP8G. / Abstract : Single Photon Avalanche Diodes (SPAD) generate much interest in applications which require single photon detection and excellent timing resolution, such as high energy physics and medical imaging. In fact, SPAD arrays such as Silicon PhotoMultipliers (SiPM) are gradually replacing PhotoMultiplier Tubes (PMT) and Avalanche PhotoDiodes (APD). There is now a trend moving towards SPAD arrays in CMOS technologies with smart pixels control for high timing demanding applications. Making SPAD in commercial CMOS technologies provides several advantages over optoelectronic processes such as lower costs, higher production capabilities, easier electronics integration and system miniaturization. However, the major drawback is the lack of flexibility when designing the SPAD architecture because all fabrication steps are fixed by the CMOS technology used. Another drawback of CMOS SPAD arrays is the loss of photosensitive areas caused by the CMOS circuits integration. This document presents SPAD design, characterization and optimization made in a commercial CMOS technology (Teledyne DALSA 0.8 µm HV CMOS - TDSI CMOSP8G). Custom process variations have been performed in partnership with the CMOS foundry to optimize the SPAD while keeping the CMOS line compatibility. The realized SPAD and SPAD arrays are dedicated to 3D integration with either low-cost TDSI CMOS electronics or advanced deep sub-micron CMOS electronics to perform a 3D digital SiPM (3D-SiPM). The novel 3D-SiPM is intended to replace PMT, APD and commercially available SiPM in timing demanding applications. The group main objective is to develop a 10 ps timing resolution 3D-SiPM for use in high energy physics and medical imaging applications. Those applications require reliable technologies with a certified production capability, which justifies the actual effort to use commercial CMOS line to develop our 3D-SiPM. This dissertation focuses on SPAD design, characterization and optimization made in the TDSI-CMOSP8G technology.

L'astronomie gamma des Très Hautes Energies utilise jusqu'à aujourd'hui exclusivement comme détecteurs le Photomultiplicateur à Tube (PMT) pour capter les faibles flux lumineux des gerbes atmosphériques. Mais une alternative commence à apparaitre : les photodiodes à avalanche polarisées en mode Geiger appelées APD Geiger. Le PMT est un détecteur conçu dans les années 70 qui présente certes de nombreux avantages mais qui souffre également d'inconvénients comme la taille, le coût, le poids ou encore la sensibilité aux champs magnétiques et surtout la difficulté à réaliser une pixellisation en matrice. Les APD-Geiger, sont des dispositifs à semi-conducteur composés d'une jonction PN intégrée dans une technologie spéciale pour la détection de très faible flux lumineux grâce à leur polarisation au delà de la tension d'avalanche. Les APD-Geiger présentent un gain de photoélectrons très élevé (~106), bien que dépendant fortement de la tension de polarisation au delà de l'avalanche. Ces photodiodes présentent de nombreux avantages par rapport aux photomultiplicateurs, notamment du point de vue de leur miniaturisation pour des applications basées sur l'imagerie, comme la détection de flashs Tcherenkov en astronomie gamma. Dans cette thèse, nous présentons l'étude, la conception et la réalisation de cette structure technologique basée sur du Silicium. Cette structure a montré sa fiabilité pour la détection de faibles flux lumineux avec une tension de claquage de 12V et un courant de fuite ne dépassant pas 10pA au claquage. Nous avons également mis au point, différents modèles physiques et électriques indispensables aux démarches d'optimisation technologiques ainsi qu'au développement des circuits de commande et de lecture, i.e. la base de toute technologie d'imagerie. Le travail présenté ici consiste en l'étude, la conception et la réalisation d'une matrice de pixels à haute sensibilité. Un projet de télescope Cerenkov basé sur cette technologie innovante est finalement présenté

Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) travaille actuellement sur un programme de recherche portant sur des photodiodes à avalanche monophotoniques (PAMP) opérées en mode Geiger en vue d'une application à la tomographie d’émission par positrons (TEP). Pour opérer dans ce mode, la PAMP, ou SPAD selon l’acronyme anglais (Single Photon Avalanche Diode), requiert un circuit d'étouffement (CE) pour, d’une part, arrêter l’avalanche pouvant causer sa destruction et, d’autre part, la réinitialiser en mode d’attente d’un nouveau photon. Le rôle de ce CE comprend également une électronique de communication vers les étages de traitement avancé de signaux. La performance temporelle optimale du CE est réalisée lorsqu’il est juxtaposé à la PAMP. Cependant, cela entraîne une réduction de la surface photosensible ; un élément crucial en imagerie. L’intégration 3D, à base d'interconnexions verticales, offr une solution élégante et performante à cette problématique par l’empilement de circuits intégrés possédant différentes fonctions (PAMP, CE et traitement avancé de signaux). Dans l’approche proposée, des circuits d’étouffement de 50 [mu]m x 50 [mu]m réalisés sur une technologie CMOS 130 nm 3D Tezzaron, contenant chacun 112 transistors, sont matricés afin de correspondre à une matrice de PAMP localisée sur une couche électronique supérieure. Chaque circuit d'étouffement possède une gigue temporelle de 7,47 ps RMS selon des simulations faites avec le logiciel Cadence. Le CE a la flexibilité d'ajuster les temps d'étouffement et de recharge pour la PAMP tout en présentant une faible consommation de puissance ( ~ 0,33 mW à 33 Mcps). La conception du PAMP nécessite de supporter des tensions supérieures aux 3,3 V de la technologie. Pour répondre à ce problème, des transistors à drain étendu (DEMOS) ont été réalisés. En raison de retards de production par les fabricants, les circuits n’ont pu être testés physiquement par des mesures. Les résultats de ce mémoire sont par conséquent basés sur des résultats de simulations avec le logiciel Cadence.