Depletion of CMOS pixel sensors : studies, characterization, and applications

Désertion de capteurs à pixels CMOS : étude, caractérisations et applications

Julian Heymes (1)

1 IPHC - Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien

An architecture of CMOS pixel sensor allowing the depletion of the sensitive volume through frontside biasing is studied through the characterization in laboratory of a prototype. The charge collection performances confirm the depletion of a large part of the sensitive thickness. In addition, with a modest noise level, the sensor features an excellent energy resolution for photons below 20 keV at positive temperatures. These results demonstrate that such sensors are suited for soft X-ray spectroscopy and for charged particle tracking in highly radiative environment. A simplified analytical model and finite elements calculus are used to predict the depletion depth reached. An indirect measurement method to evaluate this depth is proposed. Measurements confirm predictions for a thin highly resistive epitaxial layer, which is fully depleted, and a 40micrometers thick bulk less resistive substrate, for which depletion reached 18 micrometers but which still offers correct detection over its full depth. Two sensor designs dedicated to X-ray imaging and in-brain neuroimaging on awake and freely moving rats are presented.

Une architecture de capteurs à pixels CMOS permettant la désertion du volume sensible par polarisation via la face avant du circuit est étudiée à travers la caractérisation en laboratoire d’un capteur prototype. Les performances de collection de charge confirment la désertion d‘une grande partie de l’épaisseur sensible. De plus, le bruit de lecture restant modeste, le capteur présente une excellente résolution en énergie pour les photons en dessous de 20 keV à des températures positives. Ces résultats soulignent l’intérêt de cette architecture pour la spectroscopie des rayons X mous et pour la trajectométrie des particules chargées en milieu très radiatif. La profondeur sur laquelle le capteur est déserté est prédite par un modèle analytique simplifié et par des calculs par éléments finis. Une méthode d’évaluation de cette profondeur par mesure indirecte est proposée. Les mesures corroborent les prédictions concernant un substrat fin, très résistif, qui est intégralement déserté et un substrat moins résistif et mesurant 40 micromètres, qui est partiellement déserté sur 18 micromètres mais détecte correctement sur la totalité de l’épaisseur. Deux développements de capteurs destinés à l’imagerie X et à la neuro-imagerie intracérébrale sur des rats éveillés et libres de leurs mouvements sont présentés.

Mots clés: Semiconductor Detectors; CMOS pixel sensors; Depletion; Sensor development; Radiation hardness; Spectroscopy

Mots clés: Détecteurs semi-conducteur; Capteur à pixels CMOS; Désertion; Développement de capteur; Radiotolérance; Spectroscopie

Domaines: Physique [physics]

Julian Heymes. Depletion of CMOS pixel sensors : studies, characterization, and applications. Physics [physics]. Université de Strasbourg, 2018. English. ⟨NNT : 2018STRAE010⟩. ⟨tel-01998288⟩