1.2. Type d`action

PROPOSITION DE THESE
2012-2015
1. RENSEIGNEMENTS GENERAUX
1.1. THEMATIQUE
Astrophysique - détection
1.2. TYPE D'ACTION
nouvelle
1.3. INTITULE DU PROJET
IODOPSINE
1.4. TYPE D'ACTIVITE AUQUEL SE RATTACHE LA PROPOSITION
R&T amont
1.5. RESPONSABLE SCIENTIFIQUE
Nom Prénom : Gach Jean-luc
Téléphone : 04 95 04 41 19
e-mail : [e-mail]
Adresse : Observatoire Astronomique de Marseille-Provence
Laboratoire d'Astrophysique de Marseille
Technopôle de Marseille-Etoile
38, rue Frédéric Joliot-Curie
13388 Marseille cedex 13
1.6. CO-PROPOSANTS
Nom Prénom : Johan Rothman
Téléphone :
e-mail : [e-mail]
Adresse : CEA/LETI
17, Rue des Martyrs
38054 Grenoble cedex 9

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2. PROPOSITION
2.1. OBJECTIFS SCIENTIFIQUES
Iodopsine est le nom de ce projet, mais les iodopsines sont surtout les protéines photoréceptrices qui
se trouvent dans les cônes de la rétine permettant la vision des couleurs. Nous nous proposons pour
la première fois de réaliser des photodétecteurs ayant une caractéristique similaire de manière
intrinsèque (sans l’utilisation de filtres). Par extension le procédé permet d’ajuster par une simple
tension la plage de sensibilité spectrale ou par seuillage multiple détecter la couleur du photon
incident.
L’effet a été mis en évidence dans des photodiodes visible, mais les e-APDs infrarouge présentent
des avantages pour la méthode notamment par un facteur de bruit inférieur à celui du silicium. Par
contre le gain est pour le moment inférieur, une optimisation est donc nécessaire pour atteindre des
performances optimales. Nous proposons la mise au point de structures d’e-APD permettant la mise
en œuvre du procédé de détection spectrale et leur optimisation.
2.2. SITUATION ACTUELLE DU THEME DE RECHERCHE ET DESCRIPTION DU PROJET
De manière constante dans les diodes à avalanche (APD) visible ou infrarouge, on s’attache à créer
une zone de collection de charges où l’effet photoélectrique se produit en un lieu distinct de la zone de
multiplication de charges. En prenant le contrepied de cette « habitude », il est possible de rendre
sensible à la longueur d’onde un dispositif APD. En effet, les photons de grande longueur d’onde ont,
dans n’importe quel matériau semiconducteur, la propriété de pénétrer plus profondément dans le
matériau avant de produire un effet photoélectrique.
Profondeur de pénétration p(
) des photons dans le silicium (gauche) et le MCT à c=2.4 m (droite)
Si cette génération photoélectrique se produit précisément dans la zone d’avalanche, une pénétration
plus ou moins profonde dans le matériau semiconducteur va provoquer un gain plus ou moins
important, puisque la longueur parcourue par le phénomène d’avalanche est plus ou moins grand.

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Courant photoélectrique généré par deux photons plus ou moins pénétrants (donc de longueur d’onde
différente) lorsque l’effet photoélectrique se produit dans la zone d’avalanche
Cet effet a été mise en évidence par Kirn et al. [2] en 1997 dans des photodiodes Si hamamatsu
S5345, sans toutefois que ce dernier eut l’idée d’exploiter le phénomène à des fins de discrimination
de longueur d’onde puisqu’il était alors considéré comme un effet parasite.
La figure suivante montre clairement la dépendance du gain en fonction de la longueur d’onde pour
des polarisations différentes mesuré par Kirn et al. [2]. On remarquera l’’accord parfait avec l’effet
décrit plus haut, et la remarquable quasi-linéarité de la variation de gain dans le domaine 550-900 nm
dû au fait que deux phénomènes exponentiels de signe inverse, la profondeur d’absorption d’un côté
et le phénomène d’avalanche de l’autre, se compensent quasi miraculeusement.
Gain en fonction de la longueur d’onde pour différentes polarisations pour des diodes APD silicium
Hamamatsu S5345.
Alors que Kirn et al. ont comme conclusion qu’il fallait utiliser la photodiode en dessous de 550 nm
pour avoir des propriétés de gain constantes, il est au contraire intéressant de tirer profit de la
variabilité du gain en fonction de la longueur d’onde (entre 550 et 950 nm dans l’exemple cité en
référence) car la mesure du gain, donc de l’amplitude de l’impulsion de courant provoquée au
travers de la photodiode par la détection d’un photon permet de remonter à sa longueur d’onde.
Un système à comptage de photons doté de comparateurs permettant de réaliser la réjection des
impulsions non comprises entre deux seuils permet ainsi de sélectionner une bande de longueur
d’onde de sensibilité de la photodiode. Plusieurs paires de comparateurs peuvent travailler en
parallèle sur le même signal et ainsi discriminer différentes bandes de longueur d’onde, distinctes ou
se recouvrant. Par ailleurs, en ajustant les tensions de référence des comparateurs, il est possible

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d’ajuster les bandes de réponse spectrale à loisir. C’est le principe décrit dans la demande de brevet
FR2968836 (Gach) [1].
L’un des facteurs limitant du système est l’ « excess noise factor » (F) qui introduit une fluctuation
aléatoire du gain. Les e-APD sont des photodiodes à avalanche remarquables dans le sens où leur
« excess noise factor » (F) est voisin de F=1, indiquant que le processus de multiplication par
avalanche est quasiment déterministe. C’est un avantage indéniable su le silicium pour lequel F=1.4
ou d’autres semiconducteurs avec F=2 ou même plus. Il est donc intéressant de transposer le
dispositif à des e-APD, ce qui, pour le moment, n’a été fait nulle part dans le monde, et constituerait
vraisemblablement une nouvelle rupture technologique dans la détection.
2.3. PUBLICATIONS
[1] Brevet FR2968836
Photodétecteur ayant une sensibilité spectral
J.L. Gach – Université de Provence
[2] Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 387 (1997) 202-204
Wavelenght dependence of avalanche photodiode (APD) parameters
Th. Kirn, D. Schmitz, J. Schwenke, Th. Flugel, D. Renker, H.P. Wirtz
2.4. PROGRAMME DE TRAVAIL ET OBJECTIFS
Il s’agit dans un premier temps d’imaginer une structure de e-APD maximisant la zone d’avalanche et
de minimiser la zone de conversion de charge. De tester le gain du dispositif en fonction de la
longueur d’onde et de mettre en évidence un effet similaire à celui décrit par Kirn et al. D’en qualifier
les paramètres et la précision de discrimination en longueur d’onde qu’il serait possible d’obtenir en
fonction de la variation de gain, des divers bruits d’amplification et de comparateur. Neanmoins
l’exercice est beaucoup moins aisé que dans le visible car le e-APDs n’ont pas pour le moment des
gains aussi élevés que leurs homologues dans le visible. Ainsi le design de la chaine de détection, la
minimisation des bruits e la maximisation de sa bande passante revêt un caractère primordial pour
atteindre des performances de détection.
La sélectivité en longueur d’onde des APDs va être caractérisée au CEA/LETI en mode de détection
continue et en mode de comptage de photons. Dans le premier mode, le courant photonique est
mesuré avec des moyen des mesures extérieure du cryostat, tel que des source-mètres ou des
amplificateurs transimpédance, qui permet de caractériser de caractériser le gain, le facteur d’excès
de bruit et en fonction de la polarisation et la longueur d’onde incidente. Le mode de comptage de
photon va être utilisé pour caractériser la fonction de distribution de probabilité du nombre de
multiplication en fonction de la longueur d’onde. Cet étude permet d’établir une base pour une
approche probabiliste de détermination de la longueur d’onde des rayons détectes aux limites des très
faibles flux. Ces mesures vont être réalisées à l’aide d’un circuit de lecture mono-pixel hybridé avec
les APDs. Ce circuit a été désigné dans le cadre du projet RAPID et de la thèse du Gautier Vojetta
1
.
Les premières caractérisations de ce composant ont permis de mettre en évidence pour la première
fois le comptage de photon avec un gain APD inférieure à 100 et l’estimation de la fonction de
distribution de probabilité du gain dans les APDs CdHgTe
2
. Le fonctionnement du détecteur était
cependant limité par le faible signal du sortie du circuit de lecture combiné avec une sensibilité aux
interférences électromagnétique à haute fréquence qui réduit fortement le signal sur bruit. Une
électronique de proximité va être développée par le LAM dans le cadre de cette thèse pour optimiser
le SNR du détecteur, et par conséquence, la signifiance des conclusions sur la mode de
multiplications dans les APDs CdHgTe en fonction de la longueur d’onde incidente.
1
Sous la direction de Philippe Feutrier et Johan Rothman, soutenance prévu fin 2012
2
Vojetta et al. SPIE proc. 8375, 83750Y-1 (2012)