Conception d’un nouveau circuit de lecture pour un détecteur hybride à forte densité

Dans la mosaïque des fenêtres d’observation astronomique du spectre électromagnétique, les rayons X se distinguent par leur capacité à sonder les environnements les plus extrêmes de l’Univers. Cette thèse s’inscrit dans le contexte de la conception d’un plan focal de haute performance en Tellurure de Cadmium pour un télescope spatial à imagerie directe en rayons X durs. Les domaines d’application de ce type de spectro-imageur sont l’astronomie X-dur et l’étude des éruptions solaires. L’objectif principal de ce travail est de développer l’électronique frontale de lecture d’un détecteur CdTe de haute pureté, dont l’anode est finement segmentée en pixels de 250 x 250 μm2 et de 1000 μm d’épaisseur. Cette électronique de lecture prendra la forme d’un circuit intégré à usage spécifique (ASIC) pixelisé avec le même pitch que le détecteur. Chaque pixel de l’ASIC devra comporter une chaîne complète de traitement du signal, constituée d’une conversion de la charge en tension, d’une amplification, d’un circuit de filtrage, d’un étage de discrimination et enfin d’un étage de mémorisation analogique. Afin d’atteindre une résolution spectrale meilleure que 600 eV FWHM à 60 keV et un seuil bas de détection d’environ 2 keV, le bruit de la chaîne de lecture ne devra pas excéder 20 el. rms. Le préamplificateur de charge, premier bloc du circuit, est le composant le plus critique s’agissant du bruit. Son optimisation constitue le cœur de la thèse. Dans ce manuscrit, la conception d’un ASIC prototype entièrement nouveau, appelé ANAQIN-X (Advanced Noise-optimized ASIC for Quantifying and Imaging in X-rays) est

proposée. La puce réalisée dans la technologie X-FAB / XH018 a une superficie de 10 mm2. Elle comporte douze pixels dotés d’architectures différentes. Huit structures avec des pré-amplis CMOS de type N ou P en entrée sont prévus pour une interconnexion directe aux pixels. Les quatre autres circuits sont prévus pour des interconnexions à couplage AC. Notamment, une contribution majeure de la thèse consiste à évaluer et à tester une architecture originale, basée sur un couplage AC à faible capacité de liaison, avec un circuit de polarisation de détecteur intégré. Cette architecture surpasse les performances d’un couplage DC classique pour des détecteurs dont les courants de fuites excéderaient quelques dizaines de picoampères. Finalement, dans la perspective de l’intégration d’un pixel prototype dans une matrice de détecteur de grande dimension, le meilleur préamplificateur étudié, de type PMOS à couplage DC, a permis d’atteindre un bruit de 17 el. rms. Ce circuit maintient ses performances en bruit jusqu’à une dose totale de 110 krad, compatible d’applications scientifiques spatiales.