Description du sujet de thèse

Une nouvelle génération de capteurs monolithiques à pixels CMOS (MAPS) est en cours de développement pour répondre aux besoins des expériences de physique des hautes énergies qui se dérouleront après 2030. Ces MAPS présenteront des performances inégalées aujourd'hui avec principalement : une résolution spatiale inférieure à 3 µm, une résolution temporelle de l'ordre de 100 ps, une capacité de détection d'impacts dépassant quelques 100 MHz/cm2 et une tolérance aux rayonnements supérieure à 1e16 neutrons (équivalent à 1MeV)/cm2.

La conception de ces capteurs implique une simulation précise qui englobe à la fois la physique de la détection dans le silicium et le comportement des micro-circuits électroniques. Aujourd'hui ces modélisations se déroulent avec des outils séparés. Par exemple GEANT4 et Allpix2 sont des logiciels utilisés pour prédire le signal primaire d'un pixel, généré par le passage d'une particule. Le comportement des micro-circuits est lui modélisé par des algorithmes propriétaires aux logiciels de dessin des circuits intégrés (par exemple CADENCE). La connexion actuelle entre ces deux types de simulation repose sur des paramétrisations très simplifiées du signal des pixels et ne permettent pas de vérifier précisément si le capteur pourra atteindre les performances très poussées mentionnées plus haut.

Le travail de thèse vise à créer la première chaîne de simulation complète et détaillée depuis l'interaction initiale de la particule avec le silicium jusqu'au flux de données de sortie du capteur et démontrer son intérêt lors de la conception d'un capteur spécifique. Une telle modélisation exhaustive nécessite de comprendre à la fois les simulations au niveau de la détection et au niveau du circuit. L'articulation entre les deux environnements de simulations, à savoir la simulation physique et la simulation électrique, se fera par le développement d'un modèle compact permettant la diminution des temps de simulations nécessaire à la conception microélectronique. La modélisation compacte pourra être développé à travers des réseaux de neurones et de l'apprentissage automatique afin d'aboutir à un modèle dans un langage utilisable par les outils de conception tel le Verilog-A. La première approche consistera à mettre au point la méthode complète sur les capteurs à pixels monolithiques disponibles à l'IPHC en comparant les performances mesurées (sur les résolutions de position, de temps et d'énergie) avec la simulation. Dans un deuxième temps, la méthode sera appliquée à la conception de capteurs, qui visent des performances bien plus avancées, en collaboration avec les micro-électroniciens qui dessineront ces circuits. Une fois fabriqués, la caractérisation des ces capteurs avancés permettra de valider et raffiner la chaîne de simulation.
En pratique, le doctorant ou la doctorante s'engagera dans les activités suivantes : tests des capteurs, y compris l'analyse des données, simulation de la génération de signaux et simulation du comportement électronique des capteurs. Le poids de chaque activité pourra être adapté, en fonction du profil de l'étudiant ou l'étudiante. Le résultat de la thèse sera une méthodologie complète basée sur des outils existants et d'autres nouvellement créés permettant de prédire les performances principales des capteurs monolithiques à pixels CMOS à un niveau sans précédent ainsi que des prototypes de ces capteurs.

Contexte de travail

L'Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien, unité mixte de recherche sous cotutelle du CNRS et de l'Université de Strasbourg (UMR7178), est un laboratoire pluridisciplinaire où des équipes de recherche de cultures scientifiques différentes (écologie, physiologie et éthologie, chimie et physique subatomique) développent des programmes de très haut niveau avec pour socle l'instrumentation scientifique. L'IPHC est structuré en 4 départements et comptabilise un effectif total de 393 agents (H/F) dont 257 agents permanents (soit 119 chercheurs et enseignants/chercheurs et 138 ingénieurs et techniciens H/F), 46 agents en CDD et 90 doctorants H/F.
Le doctorant ou la doctorante travaillera au sein de la plateforme C4Pi de l'IPHC. Fort d'une vingtaine d'ingénieurs, post-doctorants et doctorants (H/F), le C4Pi est un acteur international majeur du développement des capteurs à pixels CMOS (MAPS) pour la détection des particules chargées dans les grandes expériences de physique subatomique. La plateforme collabore avec différents groupes au niveau national et au niveau international avec les grands laboratoires comme CERN (Genève), DESY (Hambourg) ou KEK (Tsukuba).
Le doctorant ou la doctorante bénéficiera d'un environnement riche où plusieurs projets de R&D sont en cours avec des fabrications de circuits fréquentes et des équipements puissants pour la caractérisation des prototypes.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Informations complémentaires

Titulaire d'un Master ou ingénieur spécialisé en micro-électronique et plus particulièrement en électronique numérique, le candidat ou la candidate devra savoir communiquer en anglais scientifique (niveau B2 selon le cadre européen commun de référence pour les langues) et avoir de bonnes aptitudes à travailler au sein d'une collaboration internationale (contributions à un projet collectif, réunions et missions hors du laboratoire).