b - Des détecteurs double face

Lors de la phase de développement des détecteurs au silicium à micropistes, deux alternatives au design des détecteurs étaient envisagées: des détecteurs double face ou simple face.

Sur les détecteurs double face, les électrons et les trous sont collectés et lus sur chacune des faces du détecteur. Cette configuration donne alors une information suivant deux directions si les pistes des faces opposées ne sont pas parallèles. Sur les détecteurs simple face, la lecture du signal n'est réalisée que sur une des faces du module, ce qui conduit à une information spatiale unidimensionnelle.

Citons quelques points de différence entre l'utilisation de ces deux designs:

Les aspects technologiques:

La réalisation de détecteurs double face nécessite l'utilisation d'au moins 13 à 15 masques selon le design choisi (isolation des pistes $n^{+}$), double métallisation dans le cas d'angles importants entre les pistes des deux faces du détecteur...) alors que, les détecteurs simple face ne requièrent qu'environ 5 masques. Cependant, dans le cas de détecteurs simple face collés ``dos à dos'' (qui permettraient d'avoir une mesure bidimentionnelle), les deux faces peuvent être différentes, en particulier lorsque les pistes de chaque face sont perpendiculaires. En effet, pour ce design, une seconde couche de métallisation est en général nécessaire pour lire les signaux des deux faces sur le même coté du détecteur.

Le rendement de production dépend alors de la complexité du détecteur et par conséquent du nombre de masques nécessaires. Chaque opération dans la réalisation peut en effet conduire à des défauts dans le détecteur (pistes défectueuses, trous dans l'oxyde isolant entre les pistes implantées et les pistes de lecture en aluminium...).

Longueur de radiation:

La comparaison entre un détecteur double face (de 300 $\mu$m d'épaisseur) et deux détecteurs simple face (de 300 $\mu$m d'épaisseur chacun) conduit aux conclusions suivantes:

Le choix d'un module double face a l'avantage de réduire la quantité de matière totale (incluant l'électronique de lecture, le système de refroidissement) d'environ 20% en moyenne.

La corrélation des charges déposées sur chacune des faces:

Pour un détecteur double face, la même charge est collectée (au signe près) sur la face ohmique (face N) et sur la face de la jonction (face P). La comparaison des charges sur les deux faces peut alors lever une partie des ambiguïtés auxquelles il faut se confronter pour associer les pistes touchées sur les deux faces afin de reconstruire le point d'impact de la particule chargée suivant les deux dimensions. Néanmoins, cette comparaison de signaux requiert un bon rapport signal sur bruit. Puisque dans le cas d'une paire de détecteurs simple face, les charges ne proviennent pas du même détecteur (ils n'ont pas nécessairement le même gain ni la même épaisseur), il n'est pas possible de corréler les signaux sur les deux faces.

La face ohmique:

Un des inconvénient majeurs des détecteurs double face concerne l'accumulation d'une couche d'électrons à l'interface entre le silicium et l'oxyde de silicium sur la face ohmique. Cet effet, qui tend à s'accentuer avec l'exposition aux radiations, a pour conséquence de réduire la résistance inter-pistes et induit donc une collecte du signal sur un nombre de pistes plus important que sur la face P. De plus, la couche conductrice se formant à l'interface Si-Si0$_{2}$ implique une augmentation importante de la capacité vue de l'étage d'amplification, ce qui accroît considérablement le bruit des détecteurs. Ce phénomène peut néanmoins être limité en isolant les pistes $n^{+}$ avec des pistes intermédiaires fortement dopées $p^{+}$. Cette technique nécessite bien sûr des masques supplémentaires.

La tension de polarisation:

Sur les détecteurs double face, la lecture se fait à un potentiel relativement important sur au moins l'une des faces pour éviter une tension trop importante sur les capacités de découplage. Ceci implique un système électronique supplémentaire (dans notre cas, un système opto-coupleur) pour ramener le niveau du signal de la haute tension vers la masse.

Même si ces observations ne plaident pas toutes en faveur des détecteurs double face, les besoins en terme d'analyses des phénomènes physiques, les contraintes imposées par STAR et les considérations budgétaires convergent néanmoins vers cette solution. Ces contraintes sont notamment la longueur de radiation (``opacité'' du détecteur vis-à-vis des particules qui le traversent) qui doit être minimale, la dissipation de chaleur devant être réduite au minimum pour ne pas gêner le fonctionnement du SVT qui requiert une stabilité de la température à 0.1$^{o}C$ près. Le fait de pouvoir tirer avantage de la corrélation de charges est un argument fort d'un point de vue de la reconstruction des points d'impact des particules.