Soutenance de thèse de ZONGDE CHEN

Le LHC est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il a démarré le 10 septembre 2008 et est le dernier maillon du complexe d’accélérateurs du CERN. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent. À l’intérieur de l’accélérateur, deux faisceaux de particules circulent à des énergies très élevées et à une vitesse proche de celle de la lumière avant de rentrer en collision l’un avec l’autre. ATLAS est l’un des deux détecteurs polyvalents du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il étudie des domaines de physique très variés, de la recherche du boson de Higgs aux dimensions supplémentaires de l’espace-temps, en passant par les particules qui pourraient former la matière noire. Afin d'accroître le potentiel de découverte du LHC, le projet de collisionneur de hadrons de grande luminosité (HL-LHC) est prévu après 2025. Le HL-LHC fonctionnera avec une énergie du centre de masse de 14 TeV et une luminosité instantanée maximale cinq fois plus haut que le présent. La luminosité accrue se traduira par des niveaux de rayonnement et des débits de données environ dix fois plus élevés. Pour faire face à cet environnement hostile, le détecteur ATLAS prépare une série complexe de mises à niveau, notamment l’installation de nouveaux détecteurs utilisant une technologie de pointe, le remplacement de l’électronique vieillissante et la mise à niveau de son système d’acquisition et de déclenchement des données. Pour répondre à toutes les exigences d'un détecteur de suivi de particules chargées proche de la ligne de lumière au niveau du HL-LHC, le système Inner Tracker (ITk) de l'expérience ATLAS doit être remplacé. La conception du détecteur de pixels ITk proposée est basée sur le concept très réussi de «détecteur de pixels hybride» développé et mis en œuvre dans le détecteur de pixels ATLAS actuel et dans l'IBL. Étant donné que la fabrication de modules de pixels hybrides repose sur des technologies et des techniques de construction très spécifiques qui ne constituent pas un marché commercial important en dehors de la physique des particules, le coût total nécessite une attention particulière. Une option alternative existe pour la mise à niveau du détecteur de pixels ou dans d'autres contextes: un concept de détecteur de pixels CMOS épuisé totalement monolithique. Dans ce cas, le capteur et les circuits logiques de lecture complète sont intégrés dans une seule puce et dans les processus CMOS commerciaux utilisés pour la production, ce qui permet un achat facile et à faible coût. Dans la collaboration de démonstration ATLAS CMOS, deux approches sont poursuivies. Le premier est basé sur une petite électrode de collecte et le second sur un concept d'électrode de grande taille. Dans le concept des petites électrodes de collecte, le nœud de collecte de charge est placé à l'extérieur du circuit CMOS, ce qui réduit la capacité d'entrée du circuit et réduit la consommation d'énergie du circuit frontal analogique. Cependant, comme les charges doivent parcourir de plus longues distances jusqu'au nœud de collecte, la dureté du rayonnement d'un tel concept doit être soigneusement évaluée. En revanche, la conception de grandes électrodes de collecte fournit un Deep-Nwell (DNW), qui incorpore l’électronique et sert de nœud de collecte de charge. Cela se traduit par un champ électrique plus uniforme dans la masse et une distance de dérive plus courte et conduit à une meilleure dureté du rayonnement. Le prix à payer est une capacité d'entrée plus importante pour l'électronique et nécessite également d'étudier le couplage capteur-électronique. Dans ce travail, trois grands prototypes de concepts d'électrodes de collection, nommés CCPD-LF, LF-CPIX et LF-MONOPIX1, développés dans la technologie CMF LFoundry 150 nm sur une tranche de résistivité élevée, sont principalement présentés.

The Large Hadron Collider (LHC) located at CERN is the world’s largest and most powerful particle accelerator. It first started on 10 September 2008, and remains the latest addition to CERN’s accelerator complex. These complex scientific instruments allow us to study the basic constituents of matter-fundamental particles. The beams inside the LHC are made to collide at four locations around the accelerator ring, corresponding to the positions of four particle detectors. The collision process gives us clues about how the particles interact, and provides insights into the fundamental laws of nature. ATLAS is one of four main detectors, with the purpose of finding new particles, such as the discovery of Higgs boson within the Standard Model, physics beyond the Standard Model and the development of new theories to better describe our universe. In order to increase the LHC potential for discoveries, the High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) project is scheduled after 2025. The HL-LHC will operate with a center of mass energy of 14 TeV and a peak instantaneous luminosity five times higher than the present one. The increased luminosity will result in roughly ten times higher radiation levels and data rates. To cope with this harsh environment, ATLAS detector is preparing a complex series of upgrades including the installation of new detectors using state-of-the-art technology, the replacement of ageing electronics, and the upgrade of its trigger and data acquisition system. To meet all of the requirements of a charged particle tracking detector close to the beamline at the HL-LHC, the Inner Tracker (ITk) system of the ATLAS experiment has to be replaced. The design of the ITk Pixel Detector proposed is based on the highly successful concept of "Hybrid Pixel Detector" developed for and implemented in the present ATLAS Pixel Detector and in the IBL. Since the fabrication of hybrid pixel modules relies on very specific technologies and construction techniques that do not have a large commercial market outside of particle physics, the total cost need particular concern. An alternative option exists for the pixel detector upgrade or in other contexts: a fully monolithic depleted-CMOS Pixel Detector concept. In this case, the sensor and the full readout logic circuitry are integrated into a single chip and commercial CMOS processes used for the production, which enables low cost and easy procurement. Within the ATLAS CMOS demonstration collaboration, two approaches are pursued. The first one is based on small collection electrode and the second one on large collection electrode concept. In the small collection electrode concept, the charge-collecting node is placed outside the CMOS circuitry, which reduces the input capacitance to the circuitry, and offers lower power consumption for the analog front-end circuit. However, as charges need to travel longer distances to the collection node, the radiation-hardness of such a concept needs to be carefully assessed. In contrast, the large collection electrode design provides a Deep-Nwell (DNW), which embeds the electronics, and acts as a charge-collecting node. This results in a more uniform electric field in the bulk and shorter drift distance and leads to better radiation hardness. The price to pay is a larger input capacitance to the electronics and also need to study the sensor to electronics coupling. In this work, three large collection electrode concept prototypes, named CCPD-LF, LF-CPIX and LF-MONOPIX1 which were developed in LFoundry 150 nm CMOS technology on a high resistivity wafer are mainly presented.