Physique des particules
Le GRAMS œuvre dans le domaine de l’instrumentation de radiations à travers le développement de systèmes embarqués contenant des circuits intégrés et des photodétecteurs monophotoniques (Single-Photon Avalanche Diode - SPAD).
La capacité des SPAD à détecter des photons uniques, leurs grandes précisions temporelles et leur facilité à être intégrés dans des procédés de semiconducteur industriel en font un dispositif très convoité dans plusieurs domaines de recherche, notamment ceux de la physique des particules et de la physique des hautes énergies.
Deux grands champs d'intérêts font l'objet de collaboration avec d'autres universités et grandes expériences.
Contributions dans les collaborations
La contribution du GRAMS dans les collaborations introduites plus haut se manifeste dans la fabrication d’un module de photodétection comprenant une matrice de SPAD intégrés en trois dimensions sur de l’électronique de lecture dénommé Photon-to-Digital Converter (PDC). Les PDC seront assemblés sur des interposeurs en silicium dans le but de diminuer les différences d’expansion thermique entre les composantes et de réduire la contribution au bruit de fond radioactif dans les grandes expériences de la physique des particules. Ces tuiles de photodétections seront contrôlées par un circuit intégré intelligent qui transmettra les évènements de détection à travers un protocole de communication de photonique sur silicium. On peut en savoir plus en se rendant au lien suivant: https://doi.org/10.3390/s21020598 3D Photon-To-Digital Converter for Radiation Instrumentation : Motivation and Future Works.
Réalisations
Beaucoup d’expériences en physique requièrent de très grandes surfaces de photodétection. C’est le cas notamment en physique des particules et en physique des hautes énergies, où des surfaces photosensibles allant de quelques mètres à plusieurs centaines de mètres sont requises. Ces expériences sont souvent opérées à températures cryogéniques (argon liquide : -200 °C; xénon liquide : -108°C) et nécessitent une très faible consommation de puissance.
C’est dans ce contexte que le GRAMS développe un système de photodétection modulaire capable de répondre à ces requis.
Ce module de photodétection intègre différentes technologies conçues au GRAMS : convertisseur photon à numérique 3D (photon-to-digital converter 3D – 3DPDC) (1), contrôleur de tuile (2), module de communication en photonique sur silicium (3), circuit de gestion des alimentations (4), interposeur sur silicium (5).
Les convertisseurs photon à numériques 3D (photon-to-digital converter 3D – 3DPDC) possèdent une couche de capteurs monophotoniques (single photon avalanche diode – SPAD) conçue au GRAMS et fabriquée chez Teledyne Dalsa, fonderie québécoise située à Bromont. Cette couche de photodétection est collée sur une couche d’électronique CMOS grâce à un procédé de collage 3D industriel chez Teledyne Dalsa. L’électronique CMOS, également conçu au GRAMS, intègre plusieurs fonctionnalités, notamment le comptage monophotonique.
Le contrôleur de tuile fait la gestion de tous les PDC d’une tuile. Fabriqué dans une technologie CMOS 180 nm de TSMC, il configure tous les PDC de la tuile et gère efficacement la lecture des PDC pour minimiser la consommation globale du système. Il inclus aussi des convertisseurs temps-numériques (time-to-digital converter – TDC), des boucles à verrouillage de phase (phase-locked loop – PLL) ainsi que d’autres circuits conçus au GRAMS.
Le module de communication en photonique sur silicium sert à la transmission et à la réception des données/horloge grâce à une communication par fibre optique. Puisque le système envisagé est un réseau optique passif (passive optical network – PON) et sans laser dans le module de photodétection, la puissance de communication est très faible.
Le circuit de gestion des alimentations fournit les alimentations requises (1V8, 5V, -HV) pour le fonctionnement de tous les circuits sur le module de photodétection.
L’interposeur sur silicium assure les interconnexions et le support mécanique du module de photodétection. L’utilisation du silicium par rapport à une technologie de circuit imprimé standard permet de diminuer les stress mécaniques induits aux composants à températures cryogéniques, ainsi qu’une plus faible quantité de bruit de fond radioactif et d’impureté. Il est développé en partanariat avec IZM Fraunhofer.