Transfert de couches minces épitaxiées sur GaAs ou Ge sur un substrat en saphir ou silice pour les applications miroir à onde gravitationelles
Les ondes gravitationnelles ont été prévues par la théorie de la relativité générale, elle sont créés dans l'univers par des événements cosmiques extrêmes. Leur mesure sur terre dans de grands instruments tel que VIRGO en Italie est un chalenge en terme de sensibilité de la mesure. Ces instruments sont des interféromètres de grandes dimensions (plusieurs kilomètres), et toute la chaine optique doit minimiser le bruit pour être sensible à des modification infime de l'espace-temps. Les miroirs sont un des éléments clefs de la chaine optique.
On se propose dans cette thèse de réaliser un nouveau type de miroir permettant d'améliorer notablement la sensibilité d'un interféromètre. Ce miroir repose sur une séquence de couches minces épitaxiées avec des variations d'indice optique entre chacune d'elles. Ces couches minces doivent se trouver sur une base en silice ou en saphir. Une telle structure n'est pas réalisable par fabrication additive (ie par un dépôt des couches sur le substrat en saphir ou en silice), car les couches minces sont monocristallines, et la silice est amorphe quand le saphir à un paramètre de maille inadapté. Seul les techniques de report de couches minces permettent la réalisation d'une telle structure.
Cette thèse va étudier les technologies de report de couches minces pour mettre en œuvre une ou plusieurs options permettant le transfert des couches monocristallines du substrat donneur vers le substrat receveur. Chacune des étapes nécessaires sera étudiée, des mécanismes seront proposés pour expliquer les observations expérimentales. Des démonstrateurs seront réalisés et leurs performances optiques évaluées pour déterminer si elles sont en phase avec les besoins en terme de sensibilité.
Calcul de structure électronique avec des modèles d'apprentissage profond
Les simulations ab initio avec la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) sont maintenant couramment utilisées dans toutes les disciplines scientifiques pour démêler les caractéristiques électroniques complexes et les propriétés des matériaux au niveau atomique. Au cours de la dernière décennie, l’apprentissage profond a révolutionné de nombreux domaines tels que la vision par ordinateur, le traitement du langage naturel, les diagnostics de soins de santé et les systèmes autonomes. La combinaison de ces deux domaines présente une avenue prometteuse pour améliorer la précision et l’efficacité des prédictions des propriétés des matériaux complexes, comblant l’écart entre la compréhension au niveau quantique et les connaissances axées sur les données pour accélérer la découverte scientifique et l’innovation. De nombreux efforts ont été consacrés à la construction de potentiels interatomiques d’apprentissage profond qui apprennent la surface d’énergie potentielle (PES) à partir de simulations DFT et peuvent être utilisés dans des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle (MD). Généraliser de telles approches d’apprentissage profond pour prédire la structure électronique plutôt que seulement l’énergie, les forces et le tenseur de stress d’un système est une idée attrayante car elle ouvrirait de nouvelles frontières dans la recherche sur les matériaux, permettant la simulation de l’électronles propriétés physiques connexes dans les grands systèmes qui sont importants pour les applications microélectroniques. L’objectif de cette thèse est de développer de nouvelles méthodologies s’appuyant sur des réseaux de neurones équivariants pour prédire la DFT hamiltonienne (c.-à-d. la propriété la plus fondamentale) de matériaux complexes (y compris des troubles, des défauts, des interfaces, etc.) ou d’hétérostructures.
Electronique de conditionnement de qubits à base de Single Electron Transistor
Un axe de recherche vise à fournir des solutions d’électroniques cryogéniques totalement intégrées (cryo-CMOS) afin de répondre aux besoins de nombreuses expériences scientifiques (astronomie, physique des particules, physique quantique…). Néanmoins, leur consommation excessive compromet leur utilisation dans les applications nécessitant le conditionnement d’un grand nombre de dispositifs.
Cette thèse se propose d’explorer une voie alternative en mettant en œuvre des Single Electron Transistors (SETs) pour la réalisation d’électroniques de conditionnement très faible bruit et très faible consommation. En effet, les SETs sont des composants au comportement quantifié aux températures cryogéniques qui permettent d’atteindre des optimums en terme de bruit et de consommation. Comme application, cette thèse visera à fournir une électronique de conditionnement de qubits silicium à SETs dans le cadre du développement de l’ordinateur quantique.
Le candidat à cette thèse doit avoir de solides connaissances en physique quantique, en physique des semi-conducteurs, ainsi qu’en électronique analogique et en traitement du signal. Il est attendu du thésard une bonne aptitude à l’innovation et un goût pour l’expérimentation. Enfin, le candidat doit avoir de bonnes connaissances en modélisation et dans les langages informatiques associés (Python).
Capteurs MEMS en régime chaotique pour amplification de la résolution
L'amélioration de la résolution des capteurs MEMS s'obtient toujours par une augmentation du cout du composant (surface) ou de son électronique (complexité et conso). Au vu des enjeux actuels de sobriété énergétique, il est essentiel d'explorer de nouvelles voies disruptives permettant de réduire les impacts liés à la haute performance des capteurs.
Le chaos est un phénomène déterministe exponentiellement sensible aux faibles variations. Peu étudié jusqu’à récemment, il peut s’implémenter de façon simple dans la dynamique des capteurs MEMS, afin d'amplifier les faibles signaux et d'augmenter la résolution. Il s’agit in fine d’une méthode de "in-sensor computing", permettant de s’affranchir d’une partie de l’électronique de mesure.
L’objectif de la thèse sera de créer le premier démonstrateur MEMS de "in-sensor computing" en régime chaotique. Pour ce faire, nous proposons d’étudier, par un travail approfondi de caractérisation/modélisation, ce nouveau régime de fonctionnement des capteurs MEMS déjà disponibles au DCOS/LICA (poutres M&NEMS et MUT). Ces premiers pas dans la compréhension du lien entre mesurande et réponse d'un MEMS en régime chaotique permettront de se projeter ensuite sur d’autres applications, notamment dans le domaine de la cryptographie.
Caractérisation électrique et fiabilité de transistors FDSOI de nouvelle génération
La situation de Covid 19 et la crise de la chaîne d'approvisionnement qui a suivi ont révélé au monde à quel
point les semi-conducteurs étaient essentiels pour un large éventail d'applications. Les politiciens et les
citoyens ont pris conscience que les secteurs de l'industrie et de la recherche du semi-conducteur étaient
stratégiques. En France, le gouvernement a chargé le CEA Leti de développer des technologies plus
économes en énergie comme la prochaine génération de dispositifs FDSOI (Fully Depleted Silicon On
Insulator).
Pour atteindre les performances visées de cette nouvelle génération de transistors, plusieurs améliorations
technologiques originales sont étudiées, comme l'utilisation d'une contrainte dans le canal et d'une épaisseur
réduite pour le film de Si et pour l'oxyde. L'impact de certains de ces nouveaux procédés sur les
performances et la fiabilité du dispositif sont encore inconnus et doivent être soigneusement évalué.
Dans ce contexte, le but de la thèse sera de caractériser électriquement les empilements de grille HK/MG de
cette nouvelle génération de transistors FDSOI pour en évaluer leur performance et leur fiabilité à long terme.
Un travail de modélisation des effets physiques observé sera aussi demandé. Un grand nombre de variantes
technologiques seront comparées afin de déterminer le meilleur compromis entre performance du dispositif et
sa fiabilité
Intégration de dispositifs quantiques sur hétérostructures Ge/SiGe
La réalisation de qubits de spin à partir de boites quantiques semiconductrices est activement explorée pour la mise au point de processeurs quantiques. S’appuyant sur les procédés de fabrication éprouvés de l'industrie microélectronique, cette technologie offrirait un passage à l’échelle plus rapide que d’autres technologies concurrentes. Récemment, des qubits directement dérivés de plateformes industrielles ont été démontrés, par exemple en technologie FDSOI au CEA-Leti ou sur technologie FinFET à Intel. Cependant, ces dernières souffrent de la présence d'une interface Si/SiO2 au plus proche des qubits, source d’un important désordre électrostatique.
Une alternative consiste à utiliser des hétérostructures semiconductrices à base d'empilements de Ge/SiGe. Cela permet le confinement des charges entre des interfaces cristallines, réduisant ainsi drastiquement l’impact du désordre électrostatique sur les qubits. De plus, la faible masse effective des porteurs dans le Ge permet de travailler avec des dimensions plus relâchées, et le fort couplage spin-orbite offre un moyen de manipuler les spins sans intégration d'éléments externes de contrôle.
La thèse portera sur le développement d'une filière quantique au CEA-Leti basée sur ces hétérostructures Ge/SiGe. Un premier axe de travail consistera à fabriquer sur coupons des structures de test de type barre de Hall et effectuer des mesures de mobilité à basse température pour optimiser la qualité des substrats et des matériaux utilisés dans les empilements de grilles.
En parallèle, une filière sur substrats 200mm reposant sur de la lithographie eBeam sera progressivement mise en place pour la fabrication de réseaux uni- et bidimensionnels de boîtes quantiques.
Le travail de thèse se fera en collaboration étroite entre les équipes des salles blanches du CEA-Leti et les équipes de physique du CEA-Irig.