Modélisation et caractérisation expérimentale du phénomène de luminescence induit par l’irradiation de protons dans les détecteurs IR HgCdTe en environnement spatial - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Modelling and experimental characterization of luminescence induced by protons irradiation in HgCdTe-based infrared detectors in space environment

Modélisation et caractérisation expérimentale du phénomène de luminescence induit par l’irradiation de protons dans les détecteurs IR HgCdTe en environnement spatial

Résumé

This manuscript presents the work carried out within the framework of the preparation for the spatialization of ALFA (Astronomical Large Format Array) infrared detectors which are 2048 × 2048 pixels detectors matrices with 15 μm pixel pitch composed of an HgCdTe absorbing material grown on a CdZnTe substrate. The study focuses on the product of the interaction of protons with the CdZnTe material at the origin of the pollution of images under irradiation. The complete removal of the substrate radically solves the problem but it is a delicate step in the fabrication process. The objective of this thesis is to study the response under irradiation of HgCdTe detectors whose substrate is not completely removed. This thesis is organized in three parts. The first one concerns the description of the model developed going from the modeling of the energy deposition to the transport of the carriers in the detector structure, using Monte Carlo, analytical and finite element methods. The second part concerns the description of measurements of CdZnTe material properties, which could not be found in the literature at the cryogenic operating temperatures of the infrared detectors studied in this work (80 K and 100 K). These material properties are then used as parameters in the application of the model. Finally, the last part of the manuscript describes the irradiation campaign prepared and carried out in this study. During this campaign, two detectors having different substrate thicknesses (50 μm and 800 μm substrate) with ALFA like technology but with smaller format were irradiated. The experimental results are in good agreement with the simulated data: an increase in the number of pixels affected by a proton is observed with increasing substrate thickness. This increase in cluster size is predicted by the model, and is attributed to the emission of photons in the substrate whose energy is lower than thegap energy of the CdZnTe.
Ce manuscrit présente le travail de thèse effectué dans le cadre de la préparation à la spatialisation desdétecteurs infrarouges ALFA (Astronomical Large Format Array) : des détecteurs matriciels 2048 × 2048 pixels au pas de 15 μm composés d’un matériau absorbant en HgCdTe crû sur un substrat de CdZnTe. L’étude se porte en particulier sur le produit de l’interaction des protons avec le substrat de CdZnTe à l’origine de la pollution des images sous irradiation. Le retrait complet du substrat résout radicalement le problème mais c’est une étape délicate dans la fabrication des détecteurs. L’objectif de cette thèse est d’étudier la réponse sous irradiation de détecteurs HgCdTe dont le substrat n’est pas complètement retiré. Cette thèse est organisée en trois étapes. La premièreconcerne la description du modèle développé, allant de la modélisation du dépôt d’énergie au transport des porteursdans la structure du détecteur, mêlant des méthodes Monte Carlo, analytiques et d’éléments finis.La seconde étape concerne la description des mesures de propriétés matériaux du CdZnTe absentes demesures de propriétés matériaux du CdZnTe absentes de la littérature aux températures cryogéniques defonctionnement des détecteurs infrarouges étudiés dans cette thèse (80 K et 100 K).Ces propriétés matériaux sontensuite utilisées comme paramètres dans l’application du modèle. Enfin, la dernière partie de la thèse, décrit la campagne d’irradiation préparée et effectuée dans cette étude. Lors de cette campagne deux détecteurs de technologie similaire à ALFA de plus petit format et ayant des épaisseurs de substrat différentes (50 μm et 800 μm de substrat) ont été irradiés. Les résultats expérimentaux sont en bon accord avec les données simulées : on observe une augmentation du nombre de pixels affectés par un proton avec l’augmentation de l’épaisseur du substrat. Les impacts de protons d’énergie 63 MeV présentent une géométrie circulaire dont le rayon peut atteindre 110 pixels dans le cas d’un détecteur avec 800 μm de substrat. Cette importante pollution, prédite par le modèle, est attribuée à l’émission de photons dans le substrat dont l’énergie est inférieure à l’énergie de gap du CdZnTe.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03121561 , version 1 (26-01-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03121561 , version 1

Citer

Thibault Pichon. Modélisation et caractérisation expérimentale du phénomène de luminescence induit par l’irradiation de protons dans les détecteurs IR HgCdTe en environnement spatial. Instrumentation et méthodes pour l'astrophysique [astro-ph.IM]. Université Paris-Saclay, 2020. Français. ⟨NNT : 2020UPASP090⟩. ⟨tel-03121561⟩
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