Pellion Denis

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En vue de l'obtention du
Délivré par l'Université Toulouse III - Paul Sabatier
Discipline ou spécialité : Microélectronique et instrumentation en astrophysique.
Présentée et soutenue par
PELLION Denis
Le Lundi 08 décembre 2008
Titre : Modélisation, fabrication et évaluation des photodiodes à avalanche polarisées en
mode Geiger pour la détection du photon unique dans les applications Astrophysiques.
Ecole doctorale :
SDU2E
Unité de recherche : CESR (Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements)
Directeur de Thèse : BAZER-BACHI Robert : Professeur d'université
Rapporteurs : FEINSTEIN Fabrice et SAMITIER Josep
JURY
VON-BALLMOOS Peter : Professeur d'université :Président
FEINSTEIN Fabrice : Professeur d'université Montpellier II : Rapporteur
SAMITIER Josep : Professeur et Recteur de l'université de Barcelone : Rapporteur
DE LA TAILLE Christophe : Ingénieur de recherche : Examinateur
VANEL Jean Charles : Ingenieur de recherche : Examinateur
CAMPS Thierry : Professeur d'université : Examinateur
ESTEVE Daniel : Directeur de recherche émérite : co-directeur de thèse
BAZER-BACHI Robert : directeur de thèse

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Re em me er rc ci ie em me en nt ts s
Je tiens tout d’abord à remercier le directeur de cette thèse, Mr Robert Bazer-Bachi,
pour m’avoir proposé ce sujet de recherche et m’avoir fait confiance, malgré les
connaissances plutôt légères que j’avais en septembre 2004 sur les photomultiplicateurs, puis
pour m’avoir guidé, conseillé et encouragé pendant quatre ans, tout en me laissant une grande
liberté. J’espère avoir été à la hauteur de ses attentes. Je remercie sincèrement mon ancien
professeur, à qui je garderai pour longtemps, une profonde reconnaissance ainsi qu’une
grande considération.
Mes remerciements vont ensuite à Mr Daniel Esteve, co-directeur de thèse pour
m’avoir encadré et effectué un suivi extrêmement rigoureux et régulier du travail que j’ai
réalisé. Je le remercie infiniment pour la gentillesse et la patience qu’il a manifestées à mon
égard durant cette thèse, pour tous les précieux conseils qu’il a bien voulu me donner et pour
sa grande compétence pour répondre à chacune de mes interrogations.
Je ne sais comment exprimer ma gratitude à ces deux personnes autrement qu’en leur
promettant d’agir comme eux avec les étudiants dans ma situation, si un jour l’occasion m’en
est donnée. Cette thèse restera, pour moi, grâce à ces personnes remarquables, une expérience
professionnelle extraordinairement enrichissante, passionnante et motivante.
Je tiens à remercier aussi Mr Giovanni Bignami directeur du CESR, et Mr
Dominique Lequeau directeur de l’école doctorale SDU2E et de l’OMP en 2004, pour
m’avoir accueilli et permis d’effectuer cette thèse au CESR, au sein du département des
hautes énergies, dans le groupe du GIATHE, ainsi que leurs successeurs Mr Jean-André
Sauvaud, Mr Patrick Mascart et Mr Bernard Dupré.
Je remercie aussi vivement Mr Daniel De pinho, créateur et PDG de la société
Microtec, sans qui rien n’aurait été possible, pour avoir accepté de me faire un contrat CIFRE.
Je remercie les rapporteurs de cette thèse Mr Fabrice Feinstein et Mr Josep
Samitier pour la rapidité avec laquelle ils ont lu mon manuscrit et l’intérêt qu’ils ont porté à
mon travail. Ils ont contribué par leurs nombreuses remarques et suggestions à améliorer la
qualité de ce mémoire et je leur en suis très reconnaissant. Merci également aux autres
membres du jury qui ont accepté de juger ce travail et m’ont fait l’honneur d’assister à ma
soutenance et en particulier à Mr Peter Von-Ballmoos pour l’avoir présidée.
Je remercie aussi toute « l’équipe TEAM du LAAS », pour leur soutien, leur aide,
leur grande disponibilité et aussi leur bonne humeur. Mr Hugues Granier pour m’avoir
accueilli dans la centrale de technologie, pour la confiance accordée ainsi que les moyens
techniques et matériels mis à ma disposition. Pierre-François Calmon pour ses conseils dans
la réalisation des masques. Bernard Rousset et Laurent Bouscayrol pour leurs conseils dans
l’oxydation et l’activation-redistribution après implantation ionique, et pour les négociations
dans l’utilisation des fours. David Colin, Thierry Do conto et Samuel Charlot, pour les
multiples montages en salle d’assemblage qu’ils ont réalisés toujours avec beaucoup de
sérieux.

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Je remercie toutes les autres personnes du LAAS, notamment je pense à Thierry
Camps et Gérard Sarrabayrouse qui se sont intéressés au sujet, qui ont donné leur temps et
leur avis scientifique, qui ont fait progresser la technologie, la modélisation, les
caractérisations et qui ont rendu cette thèse aussi enrichissante qu’agréable.
Je remercie toute « l’équipe GIATHE du CESR » sans qui cette thèse ne serait pas ce
qu’elle est : aussi bien par les discussions, les suggestions ou contributions. Je pense ici en
particulier à Claude Magenc, pour m’avoir fait partager ses 40 ans d’expériences
d’électronicien et sa très grande philosophie du composant. Abdelali Renane, pour son
excellente habileté à la négociation des espaces de travail, et la rédaction de publication et de
CV. Je pense aussi à Arnaud Le padellec, pour son exceptionnel sens de l’administration
française, et pour ses propositions de relecture de ma thèse. Je n’oublie pas Veronique Borrel
et Frederic Moutier, qui ont suivi et travaillé sur le projet, participé aux réunions et donné
leur avis scientifique lors des grands choix technologiques. Un grand merci aussi à mon ami
Khalil Jradi, bien plus qu’un collègue, à la fois drôle dans les moments difficiles mais aussi
très professionnel et sérieux, qui va présenter une thèse dans le même domaine. Je te souhaite
les meilleurs résultats possibles. Merci pour ton aide dans la centrale de technologie du
LAAS, la réalisation des masques, pour les soirées passées ensemble, des fois même jusqu’au
matin, pour la caractérisation des composants en température.
Merci aussi aux différents stagiaires, qui ont travaillé sur le sujet et ont apporté ainsi
une pierre à l’édifice. Elodie Bras pour la caracterisation, Marie-Sophie Roustan pour son
étude de marché. Naima Zabar pour son travail de modélisation physique. Nezha
Mouatassim pour son travail dans le développement d’un banc de test. Damien Pinet et
Jocelyn Domange pour leur étude astrophysique et aussi Emeric Hache pour son travail
performant et professionnel ne supportant aucune entorse au règlement.
Enfin une pensée émue pour tous les doctorants du CESR et du LAAS, dans la
même situation, avec qui j’ai partagé des soirées barbecue et des week-ends inoubliables en
observant les étoiles. Exemple Damien Castagné qui après avoir suivi le même parcours que
moi, du collège de PIBRAC jusqu’au CESR, partage la même passion de la randonnée sur
glace.
Enfin pour leur soutien sans faille et permanent, je tiens à remercier de tout cœur mes
parents, ma mère plus particulièrement pour sa patience pour mes fautes d’orthographe,
merci pour ton aide. Enfin merci à ma sœur Isabelle pour son soutien et pour le temps passé à
la fabrication de tous les gâteaux de l’extraordinaire pot de thèse.

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Table des matières
Table des matièresTable des matières
Table des matières
Introduction à la thèse. ……………………………………………………………......1
Chapitre 1 : La détection photonique : Dispositifs et applications......................................7
Introduction............................................................................................................................9
1.1 Le comptage de photons PM, APD, APD-Geiger......................................................9
1.1.1 Les détecteurs.....................................................................................................9
1.1.2 Les unités de mesures de ces appareils ............................................................10
1.2 Les applications de la détection à comptage de photons, PM, APD, APD-Geiger..11
1.2.1 Les applications astrophysiques.......................................................................12
1.2.2 Les applications en Biologie moléculaire. .......................................................14
1.3 Généralités sur les dispositifs à dynodes: Photomultiplicateur................................14
1.4 Généralités sur les dispositifs semi-conducteurs classiques. ...................................16
1.5 Généralités sur les dispositifs semi-conducteurs Geiger..........................................17
1.6 Comparaison, APD classique, APD-Geiger, SiPM, PM..........................................20
1.7 Notre problématique, motivation, organisation........................................................21
Conclusion............................................................................................................................22
Chapitre 2 : Conception d’une filière de dispositifs intégrés à comptage Geiger. ..........23
Introduction..........................................................................................................................25
2.1 L’effet de multiplication dans les jonctions à semi-conducteurs.............................26
2.1.1 Les jonctions pn en fonctionnement inverse....................................................26
2.1.2 L’effet d’avalanche. .........................................................................................26
2.2 Caractéristiques de fonctionnement en mode Geiger...............................................27
2.3 Modélisation du gain : électrons-trous / photon.......................................................30
2.3.1 Le modèle électrique avec générateur de tension.............................................30
2.3.2 Le modèle électrique en langage VHDL-AMS................................................32
2.3.3 Le modèle physique. ........................................................................................33
2.3.4 Analyse des résultats des trois methodes. ........................................................36
2.4 Le bruit de fond et ses origines ................................................................................36
2.5 Les règles de conception..........................................................................................38
2.6 Choix d’un cahier des charges. ................................................................................39
2.6.1 Les performances des détecteurs unitaires.......................................................39
2.6.2 Les détecteurs en matrice unitaire (monopixel et multi-cellules : SiPM)........40
2.7 Choix d’une filière technologique............................................................................41
2.7.1 Pourquoi assurer l’homogénéité des composants ?..........................................41
2.7.2 Comment assurer l’homogénéité des composants ?.........................................41
2.7.3 Maîtrise du phénomène : « effets de bord ».....................................................42
2.7.4 Le traitement des effets de bord.......................................................................43
2.8 Conception des masques. .........................................................................................44
2.8.1 Les structures d’essais......................................................................................44
2.8.2 Les tests intermédiaires....................................................................................45
Conclusion............................................................................................................................46