Etude des photodiodes PiN pour les imageurs infrarouges refroidis
En termes de détection IR haute performance, le LETI joue un rôle de premier plan dans le développement du matériau HgCdTe qui donne aujourd’hui des performances telles qu’il est embarqué sur le Télescope Spatial James Webb (JWST) et permet l’observation et l’étude de l’espace lointain avec une précision inégalée à ce jour. Cependant, nous pensons qu’il est encore possible de franchir un pas important en termes de performances de détection. En effet, il semble qu’une structure totalement déplétée, appelée photodiode PiN, pourrait permettre de réduire encore le courant d’obscurité (et donc réduire le bruit et gagner en sensibilité à bas flux photonique) par rapport aux structures non totalement déplétées utilisées jusqu’à présent. Cette architecture représenterait la photodiode ultime et permettrait soit un gain en performance pure à une température de fonctionnement donnée, soit une augmentation importante de la température de fonctionnement du détecteur avec le potentiel d’ouvrir de nouveaux champs d’application en simplifiant fortement la cryogénie.
Votre rôle dans ce travail de thèse sera de contribuer au développement de la photodiode ultime pour la détection IR refroidi très haute performance, caractériser et simuler les photodiodes PiN en technologie HgCdTe fabriquées sur notre plateforme photonique. Les figures de mérite principales des détecteurs seront établies et comparées à celles de la littérature (courant d’obscurité, qualité image, …). Le candidat pourra s’appuyer sur un socle de moyens de caractérisations avancées disponibles au laboratoire : mesures de FTM par EBIC (Electron-Beam-Induced-Current), de transport électronique par EH (Effet Hall), MEMSA (Maximum Entropy Mobility Spectrum Analysis) ou EBIC (extraction de la durée de vie des porteurs minoritaires) en plus des moyens plus classiques de mesures : analyseurs de paramètres à semi-conducteurs (HR-SMU pour High-Resolution Source Measurement Unit), rendement quantique, bruits temporel et spatial. Ce travail expérimental et théorique permettra de proposer une modélisation du comportement des objets fabriqués au CEA-Léti et de déterminer la sensibilité aux paramètres technologiques.
Le doctorant s’intègrera dans une équipe multidisciplinaire qui va de la croissance des matériaux II-VI jusqu’à la caractérisation EO, en passant par les procédés de fabrication de type microélectronique en salle blanche et les problématiques de packaging de tels objets fonctionnant à basse température.
Vous êtes titulaire d’un Master en optoélectronique ou physique des matériaux semi-conducteurs et êtes passionné par la recherche appliquée.
Les principales compétences techniques souhaitées sont : physique des composants à semi-conducteurs, optoélectronique, traitement des données, simulations numériques, attrait pour le travail expérimental pour mener à bien les caractérisations en environnement cryogénique et théorique pour mener à bien les simulations numériques. Rigueur
Système d’imagerie interférométrique 3D avec module de réception en optique intégrée
La capture d’images de distance, ou 3D sensing, est une fonction clé dans de nombreux domaines applicatifs émergents tels que la réalité augmentée, la robotique et la télé-médecine. Le laboratoire a développé un prototype innovant de 3D sensing en micro-optique, utilisant une technologie Lidar à modulation de fréquence avec une illumination simultanée de toute la scène. La prochaine étape consiste à miniaturiser ce dispositif en optique intégrée. Une première thèse est actuellement en cours au laboratoire, se concentrant sur l’intégration du module d’illumination.
La thèse proposée portera sur la définition d’une architecture optique intégrée pour le module de réception. L’objectif principal est de réaliser la recombinaison des faisceaux en optique intégrée, en utilisant des guides d’onde et des réseaux de couplage, pour effectuer le mélange hétérodyne de la lumière rétro-diffusée par la scène avec l’oscillateur local. Le travail consistera à concevoir ces composants d’optique intégrée en lien avec le système optique à lentilles, à simuler la propagation des faisceaux et les interférences sous Lumerical et Zemax, à participer à la réalisation en salle blanche, à effectuer la caractérisation optique des composants, et à valider expérimentalement la preuve de concept de l’imagerie de distance avec le prototype miniaturisé.
En fonction de l’avancée des travaux, la thèse pourra inclure le développement d’un module combinant les fonctions d’illumination et de réception avec un unique composant. Le travail sera valorisé par des dépôts de brevet, des publications dans des revues à comité de lecture, et des présentations en conférences internationales.
Développement de modulateurs IIIV/Si pour les applications émergentes de la photonique intégrée
Le travail de thèse proposé consiste à développer des modulateurs de phase basés sur l’intégration de capacités hybrides IIIV-Silicium dans des guides d’ondes en silicium, à la longueur d'onde de 1.55µm pour répondre aux demandes émergentes de la photonique (calcul optique sur puce, LIDAR). A la différence des applications telecom/datacom, qui ont permis l'émergence de la photonique intégrée sur silicium, ces nouveaux champ applicatifs mettent en jeux des circuits qui nécessitent un très grand nombre de modulateurs de phase. Les modulateurs tout silicium à base de jonction PN, qui présentent des pertes optiques de plusieurs dB et des tailles centimétriques, sont un verrou à l’émergence de ces applications.
Les capacités hybrides IIIV-Si doivent permettre, grâce aux propriétés électro-optiques des matériaux IIIV, de réduire d’un ordre de grandeur la taille des modulateurs silicium et d’améliorer leur efficacité énergétique (réduction des pertes optiques). Des premiers modulateurs fonctionnels ont été conçus, réalisés et testés au laboratoire. Il s’agira dans un premier temps d’étudier plus finement leurs performances (pertes, efficacité, vitesse, hystérésis) et d’en comprendre les ressorts, en utilisant les moyens de simulation optique et de caractérisation électrique disponibles (C(V), densité de charge d'interfaces, DLTS..). Il s’agira notamment de mieux comprendre l’impact du procédé de fabrication sur les propriétés électro-optiques. Dans un second temps le doctorant proposera des améliorations des architectures et des procédés de fabrication (en collaboration avec nos spécialistes), et les validera expérimentalement à partir de capacités hybrides et de modulateurs intégrant ces capacités.
Métasurfaces pour l’ amélioration de l'efficacité des µLEDs à conversion
Dans le contexte de la réalité augmentée, réaliser des matrices de µLEDs RGB est la prochaine étape afin de miniaturiser et simplifier le système optique dans sa globalité. Afin de réaliser de tels dispositifs, une des approches envisagées est de réaliser des matrices de µLEDs en GaN/InGaN bleues et d’appliquer des convertisseurs de couleur vers le rouge et le vert au dessus de cette matrice. Cependant, les applications de réalité augmentée requièrent des dispositifs émissifs directifs, ce qui est à priori difficile à réaliser car l’émission spontanée des convertisseurs est à priori isotrope. Cependant il a récemment été démontré par le laboratoire Charles Fabry (thèse de E. Bailly et direction de cette thèse) que la combinaison de métasurfaces avec des convertisseurs couleurs pouvaient permettre de réaliser de l’émission directive. Le but de cette thèse est alors d’appliquer cette approche en la combinant avec des µLEDs bleues réalisées au CEA-LETI. Durant cette thèse l’étudiant designera les dispositifs afin de les rendre efficaces et avec une émission directive. Puis dans un deuxième temps des dispositifs seront réalisés en salle blanche au LETI et caractérisés opto-électriquement.
La première partie de cette thèse (le design) sera réalisée par l’étudiant principalement dans les locaux du laboratoire Charles Fabry sur le plateau de Saclay, puis il rejoindra le CEA-LETI au sein du LITE à Grenoble pour les aspects de caractérisation et de comparaison avec les simulations.
Les travaux du Laboratoire d'Intégration des Technologies Emissives portent sur l'intégration de la fabrication d'émetteurs µLED, OLED et LCD en environnement de type fonderie microélectronique sur silicium. Il s'agit par exemple d'améliorer les performances de micro-écrans sur ASIC tout en diminuant la taille caractéristique des pixels émetteurs, ou encore de démontrer de nouveaux usages de ces sources lumineuses dans le domaine des capteurs optiques biomédicaux.
Systèmes visuels de questions-réponses combinant un encodeur binarisé et des modèles de langage
Une des tendances majeures des imageurs intelligents est d’aller au-delà de fonctions d’inférence simple telle que la classification ou la détection d’objet. Cela peut notamment se traduire par le souhait d’ajouter des applications plus complexes permettant une compréhension sémantique de la scène. Parmi ces applications, le VQA (Visual Question Answering) permet aux systèmes d'IA de répondre à des questions, formulées avec du texte, en analysant les images. Dans ce contexte, ce sujet vise à développer un système efficace et embarqué de VQA intégrant un encodeur visuel basé sur des réseaux de neurones binaires (BNN) combiné avec un modèle de langage compact (tiny LLM). Même s’il existent encore de nombreuses étapes pour un portage matériel d’un système intégrant un LLM, ce projet représente une étape significative dans cette direction en s’appuyant sur des BNN. Cet encodeur traite des images en limitant le besoin en ressource de calcul, permettant un déploiement en temps réel sur des dispositifs embarqués. Des mécanismes d'attention seront intégrés pour extraire les informations sémantiques nécessaires à la compréhension de la scène. Le modèle de langage utilisé pourra être stocké localement et ajusté conjointement avec le BNN pour générer des réponses précises et contextuellement pertinentes.
Ce sujet de thèse offre une opportunité pour un candidat intéressé par le Tiny Deep Learning et les LLMs. Il propose un vaste champ de recherche pour des contributions significatives et des résultats intéressants pour des applications concrètes. Le travail consistera à développer une topologie de BNN robuste pour l'analyse sémantique d’une scène visuelle, en prenant en compte des contraintes matérielles (mémoire et calcul), à intégrer et à optimiser l'encodeur BNN avec le LLM, tout en assurant un système VQA cohérent et performant à travers différents types de requêtes et de cas d’usage.
Etude de structures micro-optique pour la fonctionnalisation d’imageur infrarouge non refroidie
Initialement développé pour des applications de défense et de surveillance, l’usage des imageurs thermiques se généralise depuis plusieurs années à des applications grand public telles que la thermographie, le contrôle industriel de point chaud ou encore la domotique. Son usage ne requérant ni source ni éclairage ambiant, cela en fait une modalité de choix pour le développement de véhicules plus sécuritaires voir autonomes. A la différence des imageurs visibles, les imageurs thermiques ne disposent pas aujourd’hui de fonctions optiques embarquées au plus proche des pixels.
Dans cette thèse, nous nous intéressons à l’ajout d’une fonction de triage angulaire à faible résolution permettant de discriminer la direction principale de provenance du flux infrarouge incident. Cette information est pertinente pour alimenter des algorithmes de traitement d’images permettant une mise au point automatique plus rapide, une meilleure segmentation des images mais également une estimation de distances. Pour réaliser une telle fonction, un réseau de micro-optiques construites à l’échelle d’un groupe de quelques pixels doit être dimensionné et réalisé. Deux approches concurrentielles à base microlentilles réfractives ou de méta-surfaces sont envisagées à ce stade. En tant que doctorant, votre rôle consistera à :
- Etablir les spécifications préliminaires de ces microlentilles
- Concevoir ces micro-optiques à l’aide de simulation numérique et prédire leur performance
- Suivre la fabrication de ces micro-optiques en salle blanche
- Caractériser ces micro-optiques sur un banc laser dédié et réaliser une preuve de principe en couplant ces dernières avec un imageur infrarouge.
Pour mener à bien votre thèse, vous serez pleinement intégré au sein du Laboratoire d'Imagerie Thermique et THz (LI2T) qui développe, réalise et caractérise des technologies d'imageurs à base de micro-bolomètres.
Conception et intégration de microlasers dans une plateforme photonique silicium
Depuis une dizaine d’années, l’augmentation continue du trafic internet pousse les interconnexions électriques des centres de données vers leur limite en terme de débit, de densité et de consommation. En remplaçant ces liens électriques par des fibres optiques et en intégrant sur puce l’ensemble des fonctions optiques nécessaires à la réalisation d’émetteurs-récepteurs (transceivers), la photonique sur silicium représente une opportunité unique de répondre à ces problématiques. L’intégration d’une source de lumière (laser) au sein d’une puce photonique est une brique essentielle pour le développement de cette technologie. Si de nombreuses démonstrations reposent sur l’utilisation de lasers externes, ou de puces laser aboutées, c’est bien la fabrication hétérogène directe d’un laser sur la puce photonique qui permettrait d’atteindre le niveau de performances souhaité tout en limitant les couts.
L’objectif de cette thèse est d’apporter une solution inédite à la gestion des communications très courtes distances (inter-puces, intra-puces) en réalisant, sur silicium, des microlasers de type membrane III-V à hétéro-structure enterrée. Cette architecture de laser permet de répondre aux nombreux défis des liens très courtes distances grâce à un compromis efficacité/intégrabilité supérieur à l’état de l’art tout en étant compatibles avec les lignes de fabrication CMOS.
L’étudiant aura la charge de (i) dimensionner les microlasers grâce aux outils de simulations numériques disponibles au laboratoire puis (ii) fabriquer ces microlasers en s’appuyant sur les plateformes technologiques du CEA-LETI et du LTM/CNRS et enfin (iii) de caractériser électro-optiquement les composants. Ce travail de thèse sera effectué en collaboration entre le CEA-LETI et le LTM/CNRS et constituera une brique stratégique, nécessaire aux futures générations de transceivers photoniques.
Conception et optimisation de routeurs de couleurs pour capteur d’images
Les routeurs de couleur représentent une technologie prometteuse qui pourrait révolutionner le domaine des capteurs d’image. Composés de structures nanométriques appelées métasurfaces, ces dispositifs permettent de modifier la propagation de la lumière pour améliorer l’efficacité quantique des pixels. Grâce aux avancées techniques récentes, il est désormais possible de concevoir et de réaliser ces structures, ouvrant la voie à des capteurs d’image plus performants.
Le sujet de thèse porte sur la conception et l’optimisation de routeurs de couleur pour des capteurs d’images. Plusieurs pistes de recherche seront explorées, comme l’implémentation de nouvelles géométries de métasurfaces (« freeform ») ou bien des configurations innovantes dans l’objectif de réduire le pas pixel (0.5µm ou 0.6µm). Diverses méthodes d’optimisation pourront être utilisées, telles que la méthode adjointe, le machine learning ou l’utilisation de solveurs auto-différentiables. Les designs devront être résilient à l’angle d’incidence de la lumière et aux variations attendues lors de la fabrication. Après cette phase de simulation, les structures proposées seront réalisées et l'étudiant(e) aura pour mission de caractériser les puces et d’analyser les résultats obtenus (rendement quantique, fonction de transfert de modulation…).
Les activités principales de l’étudiant(e) :
- Simulation optique à l’aide de méthodes numériques (FDTD, RCWA)
- Développement de méthodologies d’optimisation pour la conception de métasurfaces (méthode adjointe, optimisation topologique…)
- Caractérisation électro-optique et analyse des données expérimentales
Optimisation topologique des performances optiques de µLED
Les performances des micro-LEDs (µLEDs) sont fondamentales pour les micro-écrans, un domaine d’excellence du laboratoire LITE au CEA-LETI. Cependant, simuler ces composants est complexe et coûteux en calculs, en raison de la nature incohérente des sources lumineuses et des géométries impliquées. Cela limite la possibilité d’explorer efficacement des espaces de conception multi-paramètres.
Cette thèse propose de développer une méthode innovante basée sur les éléments finis pour accélérer les simulations tout en rendant possible l’utilisation de l’optimisation topologique. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.
Le travail se divise en deux phases :
Développer une méthode de simulation rapide et fiable, en intégrant des approximations physiques adaptées aux sources incohérentes et en réduisant les temps de calcul d’un facteur significatif.
Concevoir un cadre d’optimisation topologique robuste, intégrant des contraintes de fabricabilité, pour générer des designs immédiatement réalisables.
Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques.
Etude et évaluation de capacités en technologie silicium pour applications dans la bolométrie infrarouge
Les microbolomètres constituent aujourd'hui la technologie dominante pour la réalisation de détecteurs thermiques infrarouges non refroidis. Ces détecteurs sont couramment utilisés dans les domaines de la thermographie et de la surveillance. Il est néanmoins attendu, pour les prochaines années, une explosion du marché des microbolomètres, avec notamment l'implantation de ces derniers dans les automobiles et la multiplication des objets connectés. Le CEA Leti Li2T, acteur reconnu dans le domaine des détecteurs thermiques infrarouges, transfère depuis plus de 20 ans les technologies successives de microbolomètres à l'industriel Lynred. Afin de rester compétitif dans ce contexte d'accroissement du marché des microbolomètres, le laboratoire travaille à des microbolomètres de rupture comportant des composants CMOS comme élément sensible. Dans cette optique, le laboratoire a engagé des études se focalisant sur des capacités en technologie silicium qui varient avec la température, avec des premiers résultats prometteurs non rapportés dans la littérature. Le sujet de thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à démontrer l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques. Il portera ainsi sur la modélisation analytique de ces composants et des effets physiques associés, ainsi que sur la lecture d'un tel composant dans une approche imageur microbolomètre. Une réflexion autour de l'intégration technologique sera également menée. L'étudiant bénéficiera de plusieurs lots technologiques déjà réalisés afin de caractériser expérimentalement les effets physiques et de prendre en main le sujet. L’étudiant aura à sa disposition l’ensemble des moyens de test du laboratoire (testeur paramétrique de semiconducteur, analyseur de bruit, banc optique, etc.) ainsi que les outils d’analyse pour une compréhension des phénomènes (Matlab/Python, simulations TCAD, simulations SPICE, Comsol, etc.). À l'issue de la thèse, l'étudiant sera en mesure de répondre à la question de l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques.