Conception de Circuits Microélectroniques liés à la détection des rayonnement ionisants

Le travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement de la prochaine génération de dispositifs de détection des rayonnements ionisants. Il vise à analyser l’impact des technologies avancées, notamment les procédés CMOS 28 nm et inférieurs, sur les performances globales (en mettant l'accent sur le bruit et la consommation) et sur la résistance de la chaîne de détection à la dose totale intégrée (TID) pour les flux gamma et neutroniques. L’étude porte tant sur la partie analogique que sur la partie numérique de l’ASIC. Une attention particulière est accordée à l’évaluation du potentiel des ASIC à pixels, couramment employés dans les expériences de physique des particules, pour des applications dans le domaine de la détection des rayonnements ionisants ainsi qu’en médecine nucléaire.

Le front-end analogique de l’ASIC assure la polarisation du détecteur, l’amplification ainsi que la mise en forme des signaux. Le facteur de bruit de cet étage analogique sensible représente un point critique de la conception, dans la mesure où il influence directement les performances métrologiques de l’ensemble ASIC/détecteur. L’optimisation du rapport signal sur bruit (SNR) constitue ainsi une étape centrale de l’étude, d’autant qu’elle devra être menée en synergie avec l’optimisation de la vitesse de traitement et de la consommation. Ce travail de thèse vise donc à proposer, développer et valider des architectures de circuits d’amplification et de mise en forme, qu’elles soient dans la continuité ou en rupture avec l’état de l’art. Il convient de souligner que le circuit intégré devra être conçu et dessiné avec un niveau de robustesse suffisant pour permettre la réalisation de dispositifs de détection compacts, adaptés à un usage en environnement industriel.

Les activités principales :

• Etablir l’état de l’art des circuits d’amplification bas bruit
• Concevoir des blocs analogiques et numériques pour la détection de rayonnement ionisant
• Etudier l’impact de technologies CMOS très avancées (28 nm, 22 nm ou moins) sur les performances
• La première étape consistera à cibler les conceptions pour les détecteurs à semi-conducteurs (par exemple, SiC, diamant) avec une capacité de détection comprise entre 1 et 10 pF. La deuxième étape consistera à évaluer la pertinence des circuits pixellisés pour l'application prévue.
• Participer à l’élaboration des spécifications
• Participer à la conception et au développement de l’ASIC, mettre en œuvre et vérifier les schémas de circuits par simulation
• Anticiper les effets de dérives de process pour garantir les rendements de fabrication
• Vérifier le fonctionnement du circuit intégré avec les contraintes d’utilisation en milieu industriel (température, CEM, tension d’alimentation…)
• Développer des modèles de type comportemental pour la vérification des circuits
• Contribuer à l'intégration et à la vérification de l’ASIC
• Communiquer au sein du groupe et avec les partenaires du projet
• Rédiger des documents détaillés sur la conception et participer à la définition du système d’acquisition nécessaire pour la caractérisation de l’ASIC.
• Présenter les résultats lors de conférences et les publier dans des revues

Diplôme exigé : Master-2, diplôme d’ingénieur en électronique ou équivalent, des connaissances en mesures physiques seraient un plus

Domaine de formation : Électronique et instrumentation

(English version)

This PhD work is part of the development of the future generation of ionizing radiation detection devices. It aims to assess the impact of advanced technologies—particularly CMOS processes at 28 nm and below—on the overall performance and resilience of the detection chain with a prime focus over  (noise, power consumption) with Total Integrated Dose (TID) for gamma and neutron fluxes. The study focuses on both the analog and digital sections of the ASIC. Special attention is given to evaluating the potential of pixelated ASICs, commonly used in particle physics experiments, for applications in ionizing radiation detection and nuclear medicine. The analog front-end of the ASIC is responsible for biasing the detector, amplifying, and shaping the signals. The noise factor of this sensitive analog stage is a critical design parameter, as it directly affects the metrological performance of the ASIC/detector system. Optimizing the signal-to-noise ratio (SNR) is therefore a key focus of the study, particularly as it must be achieved in conjunction with the optimization of speed and power consumption.

This PhD work aims to propose, develop, and validate amplification and signal shaping circuit architectures, whether building on or departing from the current state of the art. It should be noted that the integrated circuit must be designed with a level of robustness suitable for developing compact detection devices intended for use in industrial environments.

Main activities:

• Establish the state of the art of low-noise amplification circuits
• Design analog and digital blocks for ionizing radiation detection
• Study the impact of advanced CMOS technologies (28 nm, 22 nm or below) on performance
• First step will be to target single-input designs for solid state detectors (e.g. SiC, Diamond) with detector capacitance in the range of 1-10pF. Second step will be to evaluate the relevance of pixelated circuits for the intended application
• Contribute to the development of specifications
• Contribute to the design and development of the ASIC; implement and verify circuit schematics through simulation
• Anticipate process variations to ensure manufacturing yield
• Verify the functionality of the integrated circuit under industrial operating constraints (temperature, EMC, supply voltage, etc.)
• Develop behavioral models for circuit verification
• Contribute to the integration and verification of the ASIC
• Communicate effectively within the team and with project partners
• Write detailed design documentation and contribute to the definition of the acquisition system required for ASIC characterization
• Present results at conferences and publish them in peer-reviewed journals Technical knowledge
• Solid knowledge and creativity in microelectronic circuit design, particularly low-noise and low-power analog circuits

Technical Knowledge :

• Knowledge of CAD tools for simulation, layout, and verification for analog and digital ASICs (Cadence environment)
• Knowledge of mixed design (Analog/Digital) rules
• First experience in analog IC design or in the design of acquisition and processing systems would be appreciated

Qualifications required : Master's degree-2, an engineering degree in microelectronics or equivalent, knowledge in physics measurement is appreciated

Field of education : Electronics and instrumentation

Entreprise : Mirion Technologies, leader mondial de la radio protection, développe des systèmes de mesures pour garantir la sécurité des travailleurs face aux rayonnements ionisants dans le milieu industriel. Mirion Technologies a développé une expertise reconnue dans la conception et la fabrication d'équipements et de solutions pour la détection, la mesure et l'analyse des rayonnements ionisants dans les domaines de l'industrie nucléaire, la défense civile et militaire, la médecine nucléaire, la recherche, l’environnement et autres industries spécialisées.

Laboratoire d'accueil : Le Centre de Physique des Particules de Marseille est une Unité Mixte de Recherche (UMR 7346). Le laboratoire relève de l’Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3), sous la double tutelle du CNRS et d’Aix-Marseille Université. Le CPPM est impliqué dans la mise en œuvre de détecteurs pour les grandes expériences du CERN. Il participe en particulier à la conception des circuits intégrés nécessaires à la construction, l’assemblage et la mise au point de ces détecteurs.

A ce titre, le CPPM et Mirion Technologies collaborent depuis plusieurs années sur la conception et le développement de circuits intégrés dédiés à la détection de rayonnements ionisants.

(English version)

The company : Mirion Technologies, the world leader in radioprotection, develops measurement systems to guarantee personal safety against ionizing radiation in industrial environments. Mirion Technologies' product range includes systems for protecting people and goods and for monitoring objects and environmental contamination as well as systems for measuring radioactivity. CPPM, the Marseille Particle Physics Center, is a Joint Research Unit (UMR 7346). The laboratory is part of the National Institute of Nuclear and Particle Physics (IN2P3), under the joint supervision of the French National Centre for Scientific Research (CNRS) and Aix-Marseille University.

research institute : The CPPM is involved in the construction of detectors for CERN's large experiments. In particular, it is involved in the design of the integrated circuits required for the development, construction, and assembly of these detectors.

In this context, CPPM and Mirion Technologies have been collaborating for several years on the design and development of integrated circuits dedicated to ionizing radiation detection.

• Titulaire d'un Master-2 ou diplôme d’ingénieur en électronique ou équivalent, des connaissances en mesures physiques seraient un plus
   
• De solides connaissances et sens de créativité en conception de circuits microélectroniques, notamment les circuits analogiques bas bruit et basse consommation
• Connaissance des outils de conception, de simulation, de dessin et de vérifications d’ASICs analogiques et numériques (environnement Cadence)
• Connaissance des règles de conception de circuits mixtes (Analogiques/Numériques)
• Une première expérience (stage, projet) en conception de circuits intégrés analogiques ou en conception de systèmes de tests, d’acquisition et de traitement