Étude et conception d'un circuit intégré dédié à la recherche et au développement de photodiodes avalanches monophotoniques

Les photodiodes avalanches monophotoniques (Single Photon Avalanche Diode - SPAD) sont convoitées dans des applications impliquant la détection de photons uniques et nécessitant une résolution temporelle de l'ordre de la picoseconde telles qu'en imagerie médicale, en physique des particules, en télémétrie et caméras 3D. Le Groupe de Recherche en Appareillage Médical de Sherbrooke (GRAMS) souhaite offrir sa contribution à des expériences faisant intervenir le xénon liquide (Liquid Xenon - LXe) ou l’argon liquide (Liquid Argon - LAr) tout en poursuivant ses activités dans l’instrumentation médicale. Deux projets majeurs au GRAMS sont issus de ces domaines : la tomographie par émission de positrons avec temps de vol (Time of Flight Positron Emission Tomography - ToF-PET) et la participation au next Enriched Xenon Observatory (nEXO). Ces deux projets introduisent des spécifications complètement différentes. La ToF-PET demande l'atteinte d'une résolution temporelle inférieure à 10 picosecondes pour améliorer le contraste de l'image, tandis que nEXO exige une dissipation de puissance très faible et une opération à température cryogénique. Ces divergences obligent le GRAMS à revoir la conception de ses SPAD et l'architecture de ses circuits intégrés CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Ce mémoire porte sur la réalisation et l'expérimentation d’un circuit intégré ayant pour mandat la caractérisation de la nouvelle génération de SPAD. Cette dernière est développée en partenariat avec la fonderie Teledyne Dalsa Semiconductor Inc. (TDSI). Les SPAD étant conçus dans un procédé optoélectrique ne permettant pas de fabriquer des transistors, il est nécessaire d'implémenter des circuits dans une autre technologie pour s'agencer à ces SPAD et pour supporter les tests faits chez TDSI. Les plateformes de tests dont disposent le GRAMS ne permettent pas d’étudier convenablement cette nouvelle génération de SPAD et ne profitent pas non plus à l’analyse des contraintes soulevées par les expériences dans le LXe et le LAr. C’est pourquoi le projet de recherche actuel se concentre sur la mise en place d'une plateforme de tests servant à caractériser des SPAD sous divers environnements et conditions. L'élément au cœur de cette plateforme est la conception d'un circuit intégré à application spécifique (Application Specific Integrated Circuit - ASIC) pour le contrôle, l'interfaçage et la caractérisation de cellules de SPAD