Caractérisation des semi-conducteurs par cou Caractérisation

Année universitaire 2007
Master de physique médicale
Spécialité radiophysique médicale
Date de la soutenance
Responsable de stage
: Guillaume Montémont
Laboratoire d’accueil : LETI-
CEA Grenoble
Adresse
: 17 rue des Martyrs 38054 Grenoble
Directeur : Loïck Verger
Caractérisation des détecteurs
semi
-
conducteurs par courantstransitoires
Année universitaire 2007
-2008
Master de physique médicale
Spécialité radiophysique médicale
Mémoire de stage
Présenté par : Yassine BEN HDECH
Date de la soutenance
: mardi 9 septembre 2008
: Guillaume Montémont
CEA Grenoble
: 17 rue des Martyrs 38054 Grenoble
Caractérisation des détecteurs
conducteurs par courantstransitoires
Spécialité radiophysique médicale
Caractérisation des détecteurs
conducteurs par courantstransitoires

Rapport de stage M2R physique médicale-Yassine BENHDECH ii
Résumé
A l’heure actuelle les détecteurs utilisés en imagerie médicale atteignent leurs
performances limites. Une nouvelle génération de détecteurs commence à voir le jour : ce sont
les détecteurs à base de semi-conducteurs de la famille de tellurure de cadmium. Leur atout
majeur est la conversion directe de l’énergie déposée par les photons en charges électriques. Ces
matériaux ont autorisent un meilleur rendement en plus de leur haute résistivité électrique qui
permet de les utiliser à température ambiante. En revanche leur croissance (cristallogenèse) est
encore mal maitrisée, ce qui provoque l’introduction de défauts dans le matériau se comportant
comme des pièges à charges, ceci se traduit par une traînée lors de la variation de flux (par
exemple après coupure du faisceau).
L’objectif de ce stage était de réaliser un banc de caractérisation, basé sur l’utilisation des
courants transitoires.
Dans un premier temps nous avons développé un programme pour faire l’acquisition de
ces courants en fonction du temps. Grâce à un modèle mathématique unipolaire nous avons pu
ensuite exploiter les résultats issus de la caractérisation des deux détecteurs CdTe et CdZnTe
pour en extraire un paramètre de piégeage appelé θ (fraction des porteurs injectés libres n par
rapport au porteurs piégés n
T
). Enfin pour valider cette méthode et confirmer les résultats
obtenus nous avons testé les mêmes détecteurs sous X et sous alpha.
Mots clés : Détecteur semi-conducteur, CdTe, CdZnTe, caractérisation, piégeage, irradiation
sous X et α.
Abstract
Today, detectors used in medical imaging achieve their limits performances. A new trend of
detectors based on cadmium telluride semiconductor has emerged. Their major asset is the direct
charge conversion of energy deposited by photons. In addition to their high electrical resistivity,
which allows to use them at room temperature, these materials have a good yield. However, their
growth is uncontrolled, causing the introduction of intrinsic levels that behaves as traps carrier:
the result is a trail after stopping beam.
The objective of this work was to achieve a bench characterization, based on the use of
the transitional current.
As a first step, we developed a program to acquire these currents over time. Thanks to an
unipolar mathematical model we could use the results from the characterization of the two
detectors CdTe and CdZnTe to extract a trapping parameter called θ (fraction of free injected
carriers n compared to trapped carriers n
T
). Finally to validate this method and confirm the
results, we tested the same detectors under X and alphas.
Keywords: Semiconductor detector, CdTe, CdZnTe, characterization, trapping, irradiation under
X and α.

Rapport de stage M2R physique médicale-Yassine BENHDECH iii
Remerciements
Je voudrais tout d’abord remercier Loïck Verger, chef du laboratoire
détecteur, pour m’avoir accueilli et permis d’effectuer ce stage dans le LETI-
LDET.
Un grand merci tout particulier à mon tuteur de stage, Guillaume
Montémont, pour l’attention qu’il a eu à mon égard, pour le suivi régulier
qu’il a effectué sur l’avancement de mon stage, pour la qualité de
l’enseignement qu’il m’a apporté tout au long de mon travail, et pour la
gentillesse dont il a fait part.
Je remercie tout le personnel du labo détecteur notamment POB, Olivier,
Marck, Michel, Nelly et Marie Claude pour leur accueil chaleureux.
Je voudrais également remercier Éric pour ces explications sur les I de V,
sur le temps de vol Alpha et sur labVIEW, et Titi qui m’a préparé tous ces
petits détecteurs.
Sans oublier DJ Thomas qui mettait toujours de l’ambiance dans le labo…
Merci à tous pour votre sympathie.
Enfin, je remercie toute celles et ceux qui ne sont pas retrouvés dans ces
quelques lignes.

Rapport de stage M2R physique médicale-Yassine BENHDECH iv
SOMMAIRE
1 INTRODUCTION ............................................................................................................................................................... 1
1.1 L E CEA-LETI ................................................................................................................................................................ 1
1.2 C ONTEXTE DU STAGE ...................................................................................................................................................... 1
1.3 O BJECTIF DU STAGE ......................................................................................................................................................... 3
1.4 L ES DIFFÉRENTES MÉTHODES DE CARACTÉRISATION ........................................................................................................ 3
1.4.1 Photo induced current transient spectroscopy (PICTS) ............................................................................................ 3
1.4.2 Thermally stimulated current (TSC) .......................................................................................................................... 3
1.4.3 Deep level transient spectroscopy (DLTS) ................................................................................................................ 4
1.4.4 Space charge limited current (SCLC) ....................................................................................................................... 4
2 LA THÉORIE ..................................................................................................................................................................... 6
2.1 S EMI - CONDUCTEURS À DURÉE DE VIE ET À RELAXATION .................................................................................................. 6
2.1.1 Semi-conducteur à relaxation sans piégeage ............................................................................................................ 8
2.1.2 Semi-conducteur à relaxation avec piégeage ............................................................................................................ 9
2.2 R ÉPARTITION DU CHAMP ÉLECTRIQUE .............................................................................................................................. 9
2.3 L E MODÈLE MATHÉMATIQUE ......................................................................................................................................... 10
2.3.1 Sans piégeage-dépiégeage ...................................................................................................................................... 10
2.3.2 Avec piégeage-dépiégeage ...................................................................................................................................... 13
3 MATÉRIELS ET MÉTHODES ............................................................................................................................................. 15
3.1 M ATÉRIELS ................................................................................................................................................................... 15
3.1.1 Le détecteur ............................................................................................................................................................. 15
3.1.2 Le préamplificateur ................................................................................................................................................. 16
3.1.3 Les appareils électroniques ..................................................................................................................................... 16
3.1.4 Le générateur des rayons X ..................................................................................................................................... 17
3.2 M ÉTHODES .................................................................................................................................................................... 17
3.2.1 Les mesures électriques ........................................................................................................................................... 17
3.2.1.1 Montage expérimental ................................................................................................................................... 17
3.2.1.2 Étalonnage du préamplificateur ..................................................................................................................... 18
3.2.1.3 Acquisition des données ................................................................................................................................ 19
3.2.1.4 Traitement des données ................................................................................................................................. 20
3.2.2 Les mesures sous X.................................................................................................................................................. 21
3.2.3 Les mesures par temps de vol .................................................................................................................................. 21
4 RÉSULTATS .................................................................................................................................................................... 23
4.1 L ES MESURES DE THÊTA ................................................................................................................................................ 23
4.2 L ES MESURES SOUS X .................................................................................................................................................... 25
4.3 L ES MESURES PAR TOF ................................................................................................................................................. 25
5 DISCUSSION .................................................................................................................................................................. 26
5.1 A NALYSES DES RÉSULTATS OBTENUS PAR LES MESURES DE THÊTA ................................................................................. 26
5.2 A NALYSES DES RÉSULTATS OBTENUS PAR LES MESURES SOUS X ..................................................................................... 26
5.3 A NALYSES DES I DE V ET DES RÉSULTATS OBTENUS PAR TOF A LPHA ........................................................................... 28
5.4 C ONFRONTATIONS , LIMITES ET CRITIQUES ...................................................................................................................... 29
6 CONCLUSION ET PERSPECTIVE ....................................................................................................................................... 30
7 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES .................................................................................................................................. 31
8 TABLES DES ILLUSTRATIONS .......................................................................................................................................... 32
9 ANNEXES ....................................................................................................................................................................... 33

Rapport de stage M2R physique médicale-Yassine BENHDECH 1
1 Introduction
1.1 Le CEA-LETI
Le CEA (Commissariat à l’Énergie Atomique) a été fondé en 1945 pour effectuer des
recherches dans le domaine du nucléaire. Au fil des années il s’est diversifié dans les domaines
de l’énergie, de la défense et des technologies pour l’information et la santé. En 1956 le centre de
Grenoble a été créé par le prix Nobel de physique Louis Néel. Aujourd’hui les salariés du CEA
Grenoble se consacrent principalement à la recherche technologique.
Le LETI (Laboratoire d’Électronique et des Technologies de l’Information) est une unité de
programme du pôle DRT (Direction Recherche Technologique) au CEA de Grenoble. C’est l’un
des plus importants laboratoires européens de recherche appliquée en électronique. Il a pour
mission d’aider les entreprises en matière d’innovation technologique, en transférant son savoir-
faire vers l’industrie. La plupart de ses recherches se font avec des partenaires extérieurs, dans un
objectif industriel. Par exemple le 1
er
scanner X français a été conçu et réalisé en 1976 au LETI.
Mon travail de stage s’est effectué au sein du Laboratoire DETecteur de rayonnement (LDET)
du Service Technologique pour la Détection (STD), dans le Département micro Technologies
pour la Biologie et la Santé (DTBS). Le laboratoire est spécialisé dans l’imagerie de
rayonnements X et gamma. Il développe notamment de nouvelles technologies pour l’imagerie
médicale et en particulier des détecteurs à semi-conducteur réalisés en CdTe ou CdZnTe.
1.2 Contexte du stage
Les détecteurs de rayonnements ionisants à base de matériau semi-conducteur sont bien
connus pour leurs bonnes performances spectrométriques [1] [2] (Cf. annexe.1 caractéristiques
et comparaison des principaux semi-conducteurs).
De nombreux types de détecteurs de rayonnements X ou γ peuvent être utilisés en imagerie
clinique et du petit animal. Si la nature du milieu détecteur est très variable (solide, liquide ou
gazeuse) le principe de détection est quant à lui fondé sur les mêmes processus d’ionisations
et/ou d’excitations, qui peuvent être primaires suite au passage d’une particule chargée
(électron), ou bien secondaires suite au passage d’une particule neutre (photon). Néanmoins le
nombre de charges créées dans le volume du détecteur ainsi que les moyens de mesurer le signal
qui en découle [8] sont très différents, selon la nature du détecteur et du rayonnement qu’on
souhaite détecter (X ou γ).