Division of Electronics, Detectors and Computing for Physics (DEDIP)

DoTPiX , nouveau concept de détecteur pixel pour la physique des particules

Nicolas Fourches

CEA / DEDIP

**************************************

Les détecteurs pixels actuellement en cours de développement pour les futures expériences en physique des particules nécessitent des résolutions spatiales de l’ordre du micron et doivent donc considérablement être améliorés par rapport à ceux des expériences actuelles. Avec de tels détecteurs il sera possible de reconstruire avec une précision inégalée les trajectoires et les vertex des particules chargées au plus près du point d’interaction. Cela est un prérequis pour les futurs collisionneurs à électrons comme l’ILC.

Actuellement les pixels actifs CMOS commencent à être introduits dans les détecteurs internes permettant une résolution spatiale avoisinant 3 μm moyennant l’utilisation de méthodes de reconstruction du point d’impact par l’étude du partage des charges sur les pixels voisins. Si l’on veut simplifier la méthode de lecture et, à la fois réduire les contraintes liées à diffusion latérale des porteurs de charges et les multiplicités (impact multiples sur un pixel), un pas en avant consiste à réduire simultanément la taille des pixels et le nombre de dispositifs CMOS présents sur chaque pixel.

Le concept DotPiX (1) répond à ces exigences. Il contient un seul transistor au lieu de trois (capteurs CMOS élémentaire), qui assure à la fois la collecte de charge et la lecture du signal. Ses dimensions peuvent être réduites à moins d'un micron carré. Jusqu'à présent, les simulations ont validé la preuve de principe (1) (2).
Dans cet exposé, nous décririons au préalable les différentes technologies émergentes envisagées pour les détecteurs pixels. Après quoi nous présenterons les différentes étapes du développement de l’architecture de pixel (DoTPiX), basé sur une seule structure MOS à canal-n (dérivé des technologies MOS). Son fonctionnement peut être décrit d’une façon simple. A partir d’une structure à canal n nous introduisons une couche enterrée qui agit comme puit quantique pour les trous. Cette couche collecte les trous et module le courant source-drain lors de la lecture moyennant l’application de polarisations appropriées. Les trous sont générés par l’interaction des particules chargées de haute énergie avec le silicium dans le volume du pixel.

Certaines difficultés demeurent pour la fabrication d'un tel dispositif. Nous les exposerons et décrirons la manière de les contourner. Par exemple, nous travaillons sur la méthode nécessaire à la croissance d'une couche de Ge sur un substrat de silicium, recouverte par une autre couche de silicium (3). Ces couches doivent être exemptes de défauts et être homogènes en épaisseur et en composition. Nous avons utilisé le dépôt chimique sous ultra-vide aux relativement basses températures pour atteindre ces objectifs (4). Deuxièmement les étapes l'oxydation et de recuit ne doivent engendrer une altération de la couche enterrée, ce qui impose, de plus, un oxyde de grille mince élaboré avec une méthode de croissance appropriée. Certains oxydes tels que HfO2 peuvent être utilisés et sont en cours d’étude sur le plan de leurs propriétés électriques, des épaisseurs de 10 nm sont envisagées.

En conclusion nous décririons les développements à court terme ce qui inclut l’assemblage des étapes technologiques déjà bien caractérisées pour obtenir un transistor DoTPiX et une matrice caractérisable.

References:
(1) N. T. Fourches, "Ultimate Pixel Based on a Single Transistor With Deep Trapping Gate," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 64, pp. 1619-1623, Apr. 2017. [Online]. https://doi.org/10.1109/TED.2017.2670681

(2) N. Fourches et al., "Limits in point to point resolution of MOS based pixels detector arrays," Journal of Instrumentation, vol. 13, pp. C01011--C01011, Jan. 2018. [Online]. https://doi.org/10.1088/1748-0221/13/01/c01011

(3) M. Halbwax et al., "Kinetics of Ge growth at low temperature on Si (001) by ultrahigh vacuum chemical vapor deposition," Journal of applied physics, vol. 97, p. 064907, 2005. [Online]. https://doi.org/10.1063/1.1854723

(4) Raid Gourad, "Croissance de couches Si/Ge d'épaissur nanométrique épitaxiées sur substrat de Si," Université Paris-Saclay, Palaiseau, Master Thesis 2021.