Approche intégrée matériau–procédé–dispositif pour la conception de transistors RF haute performance sur technologies nanométriques avancées
Cette thèse vise à développer et optimiser des technologies de dispositifs semi-conducteurs avancés pour applications radiofréquences, en s’appuyant sur la filière FD-SOI et en explorant les architectures tridimensionnelles émergentes telles que les transistors GAA et CFET. L’objectif scientifique principal est d’améliorer les performances RF essentielles — telles que fT, fmax, la linéarité ou le bruit — par une co-optimisation conjointe des matériaux, des procédés technologiques et de la conception des dispositifs.
Le projet s’appuiera sur une approche intégrée combinant développement expérimental, analyses structurales, caractérisations électriques et simulations TCAD avancées. Cette méthodologie permettra d’identifier les mécanismes limitants propres à chaque type d’intégration, de quantifier leur potentiel respectif et d’établir un lien direct entre les choix matériaux/processus et les performances RF mesurées. Une attention particulière sera portée à l’ingénierie fine des architectures de transistors, incluant notamment l’optimisation des spacers, des matériaux de grille, du positionnement des jonctions ainsi que des facettes épitaxiées source/drain. La co-conception procédé/dispositif visera à réduire les résistances d’accès, les capacités parasites et les effets de non-linéarité susceptibles de dégrader les performances haute fréquence.
À travers une modélisation comparative des filières planaires FD-SOI et des intégrations tridimensionnelles GAA/CFET, la thèse cherchera à dégager des orientations technologiques pertinentes pour les futures générations de transistors RF. Situé à l’interface entre science des matériaux, physique des dispositifs et ingénierie de fabrication, ce travail ambitionne de fournir des recommandations pour le développement de technologies RF haute efficacité destinées aux communications 5G/6G, aux radars automobiles et aux systèmes IoT basse consommation.
Amélioration de la compréhension de l'origine du bruit dans les dispositifs quantiques
Grâce à de solides collaborations entre les équipes de plusieurs instituts de recherche et les infrastructures de salle blanche du CEA-LETI, Grenoble a été un pionnier dans le développement de dispositifs à qubits de spin en tant que plateforme pour l’informatique quantique. La durée de vie de ces qubits de spin est très sensible aux fluctuations de leur environnement électrique, connues sous le nom de bruit de charge. Ce bruit de charge dans les dispositifs à qubits de spin provient potentiellement d’événements de piégeage/dépiégeage au sein des matériaux amorphes et défectueux (par exemple, SiO2, Si3N4). Ce sujet de doctorat vise à mieux comprendre l’origine de ce bruit par des simulations numériques et à orienter le développement de dispositifs quantiques vers des niveaux de bruit plus faibles et des qubits de meilleure qualité.
L’objectif de ce sujet est d’améliorer la compréhension du bruit dans les dispositifs à qubits de spin grâce à des simulations multi-échelles allant de l’échelle atomistique à celle du dispositif. Le doctorant utilisera les codes développés au CEA pour la modélisation numérique des qubits de spin et exploitera les capacités de calcul intensif pour réaliser les simulations. En fonction du profil et des intérêts du candidat, un travail de développement de code pourra être envisagé. Le travail impliquera également des collaborations avec des expérimentateurs afin de valider les méthodes de simulation et d’aider à l’interprétation des résultats expérimentaux.
PCB instrumenté pour la maintenance prédictive
La fabrication des équipements électroniques et plus particulièrement celui des PCB (Printed Circuit Board) occupent une part importante de l’impact environnemental du numérique qui doit être minimisé. Dans une logique d’économie circulaire, le développement d’outils de suivi et de diagnostic de l’état de santé de ces cartes pourrait alimenter le passeport numérique du produit et faciliter leur réutilisation dans une seconde vie et. Dans une logique de maintenance préventive et prescriptive, ces outils pourraient augmenter leur durée de vie en évitant un remplacement périodique inutile dans les applications pour lesquelles la fiabilité est une priorité ainsi que d’adapter leur usage dans le but d’éviter leur détérioration prématurée.
Cette thèse propose d’explorer l’instrumentation innovante de PCB à l’aide de capteurs ‘virtuels’, estimateurs avancés alimentés par des modalités de mesure (de type piézoélectriques, ultrasonores, etc.) qui pourraient être intégrées au sein même des PCB. L’objectif est de développer des méthodes de suivi de l’état de santé des cartes, tant sur le plan mécanique (fatigue, contraintes, déformations) qu’électronique.
Une première étape consistera à réaliser un état de l’art et des simulations pour sélectionner les capteurs pertinents, définir les grandeurs à mesurer et optimiser leur implantation. La modélisation multi-physique et la réduction de modèles permettront ensuite de relier les données à des indicateurs d’intégrité du PCB caractérisant son état de santé. La démarche combinera modélisations numériques, validations expérimentales et méthodes d’optimisation multiparamétriques.
Sondage de circuits intégrés par faisceau électronique
La sécurité des systèmes numériques repose sur l’établissement de chaînes de confiance cryptographiques allant du matériel jusqu’aux applications finales. Les circuits intégrés sont à la base des chaines de confiances et stockent pour cela des secrets qui, via différentes contremesures, sont supposés non modifiables et non observables.
L’une des menaces connues dans la littérature est l’utilisation de Microscopes Électronique à Balayage (MEB) pour l’extraction de signaux sensibles. En effet, le MEB, via le phénomène de contrastes de potentiel permet de déterminer « visuellement » la valeur d’un ou plusieurs signaux présents dans une zone du circuit, cette zone pouvant être un niveau de métal ou un transistor. Cette utilisation du MEB sur la face avant des circuits est connue et mise en œuvre depuis les années 90 dans le domaine d’analyse de défaillance. Cependant cette technique est devenue inapplicable avec les progrès des technologies, notamment la finesse de gravure et l’augmentation du nombre de couche de métaux. Des travaux récents (2023) ont montré que le sondage avec MEB était possible via la face arrière du circuit, en observant les transistors via le substrat de silicium. Ces travaux ont été effectués sur des technologies assez anciennes (135 µm). Il est aujourd’hui essentiel de déterminer si ces menaces sont avérées sur les technologies récentes (Bulk, FD-SOI, FinFET), car les futures chaînes de confiance pourraient être compromise.
Un premier défi de la thèse est de fiabiliser le processus de préparation d’échantillon permettant l’accès aux parties actives des transistors via la face arrière tout en gardant le système fonctionnel. Un second défi sera de caractériser les phénomènes de contraste de potentiels et d’observations via l’instrumentation de MEB en vue d’extraire des secrets. Une fois la technique maitrisée nous chercherons à comparer l’effet de la technologie sur cette famille d’attaque et en particulier déterminer les potentiels avantages intrinsèques de la technologie FD-SOI en vue de s’en prémunir.
Développement de sources de photons multiplexées pour les technologies quantiques
Les technologies de l’information quantique offrent de nombreuses promesses notamment dans le domaine du calcul et des communications sécurisées. Les qubits photoniques, du fait de leur excellente robustesse à la décohérence sont particulièrement intéressants pour les communications quantiques, y compris à température ambiante. Ils offrent également une alternative à d’autres technologies de qubits dans le cadre du calcul quantique. Afin de déployer à grande échelle ces applications, il est nécessaire de disposer de dispositifs compacts, bon marché, en grand nombre. La photonique sur silicium est une plate-forme attractive pour parvenir à cet objectif, en implémentant différents composants clé de génération, manipulation et détection de qubits photoniques. Sur silicium, la génération de qubits photoniques repose sur la génération de paires de photons par effet non-linéaire dans le silicium, présentant différents attraits tels que le fonctionnement à température ambiante, la possibilité d’utiliser la paire de photons comme source de photons uniques annoncés, et la possibilité de générer des photons indiscernables à partir de deux sources spatialement distinctes.
L’objectif de cette thèse est de travailler au développement, au suivi de fabrication et à la caractérisation en laboratoire de sources de paires de photons multiplexées sur puce silicium afin de surpasser les limites inhérentes au processus physique de génération de paires de photons. Dans l’objectif d’une intégration complète sur une puce unique, il sera également essentiel de pouvoir filtrer efficacement la lumière indésirable, afin de ne garder que les photons d’intérêt. C’est pourquoi un accent particulier sera également mis sur le développement de filtres intégrés à très fort taux de réjection.
Réseaux neuronaux liquides à base d’oscillateurs verrouillés par injection pour une intelligence embarquée générative
Les architectures neuromorphiques actuelles, bien que plus efficaces grâce au in-memory computing, restent limitées par la densité extrême en poids et interconnexions, rendant leur implémentation matérielle complexe et coûteuse. Les Liquid Neural Networks (LNN), introduits par le MIT au niveau algorithmique, offrent une rupture : des neurones dynamiques à temps continu capables d’ajuster leurs constantes internes selon le signal reçu, réduisant drastiquement le nombre de paramètres nécessaires.
L’objectif de la thèse est de transposer les algorithmes des LNN au niveau circuit, en développant des cellules analogiques très faible consommation à base d’oscillateurs, réalisant le calcul neuronal dans le domaine temporel et reproduisant la dynamique liquide, puis en les interconnectant dans une architecture stable et récurrente afin de viser des applications d’IA générative. Un démonstrateur silicium sera conçu et validé, ouvrant la voie à une nouvelle génération de systèmes neuromorphiques liquides pour l’Edge AI.
Analyse et conception de surfaces à impédance à dispersion contrôlée
L'ingénierie de la dispersion (DE) désigne le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques dans une structure en modulant la relation entre la fréquence et la vitesse de phase. Grâce à des matériaux et des surfaces artificiellement conçus, il est possible d’ajuster cette relation afin d’obtenir des comportements de propagation non conventionnels, permettant ainsi un contrôle précis des effets dispersifs du système. Dans le domaine des antennes, le DE peut améliorer plusieurs aspects essentiels des performances en rayonnement, notamment la largeur de bande en gain, la précision de balayage du faisceau et, plus généralement, la réduction des distorsions inhérentes aux variations de fréquence. Il peut également permettre des fonctionnalités supplémentaires, telles que le fonctionnement multibande ou le comportement multifocal dans des antennes à lentilles ou réflecteurs.
Cette thèse vise à étudier les phénomènes physiques régissant le contrôle des vitesses de phase et de groupe dans des surfaces artificielles bidimensionnelles présentant des impédances effectives dépendantes de la fréquence. Une attention particulière sera portée aux architectures à alimentation spatiale, telles que les réseaux transmetteurs et réflecteurs, où la dispersion joue un rôle déterminant. L’objectif est d’établir des formulations analytiques permettant de contrôler simultanément le retard de groupe et le retard de phase, de développer des modèles généraux et d’évaluer les limites fondamentales de ces systèmes en termes de performances en rayonnement. Ce travail est particulièrement pertinent pour les antennes à très fort gain, domaine dans lequel l’état de l’art reste limité. Les conceptions actuelles basées sur le DE présentent généralement une bande passante étroite, et aucune solution compacte à très fort gain (> 35 dBi) ne parvient encore à surmonter les dégradations liées à la dispersion, telles que la baisse de gain ou le dépointage du faisceau.
Le doctorant développera des outils théoriques et numériques, étudiera de nouveaux concepts de cellules unitaires périodiques pour les surfaces d’impédance, et concevra des architectures d’antennes avancées exploitant des principes tels que le délai de temps réel, le fonctionnement multibande à ouverture partagée ou la focalisation en champ proche avec minimisation des aberrations chromatiques. Le projet explorera également des technologies de fabrication alternatives afin de dépasser les contraintes des procédés classiques de PCB et de libérer de nouvelles capacités de contrôle de la dispersion.
Magnétomètres à pompage optique à 3He
Le laboratoire, spécialisé dans la mesure magnétique de haute résolution et de haute précision, développe et fournit depuis plusieurs décennies différentes générations de magnétomètres à pompage optique de l'hélium-4. Ces instruments sont notamment utilisés comme référence sur les satellites de la mission ESA Swarm lancés fin 2013 et ceux de la mission NanoMagSat qui devraient les rejoindre à partir de fin 2027.
En vue de diversifier ses activités et de viser des applications de type capteur abandonné pour lesquelles les contraintes de consommation peuvent être très importantes, le laboratoire souhaite développer une technologie de magnétomètre utilisant cette fois l'atome d'hélium-3 comme élément sensible. La durée de vie de l'état de l'atome d'hélium-3 utilisé pour mesurer le champ magnétique est effectivement beaucoup plus longue que celle de l'état équivalent de l'hélium-4. Cela permet de réduire significativement le besoin de pompage et d'envisager un gain important en termes de consommation énergétique du système. Notre objectif est de démontrer le fonctionnement de cette architecture de magnétomètre afin de réaliser un instrument combinant à la fois un très haut niveau de performances métrologiques et de frugalité énergétique pour ces applications très spécifiques.
L'objet de ce travail de thèse sera donc de concevoir, mettre en œuvre et évaluer une architecture de magnétomètre hélium-3, avec des défis électroniques spécifiques à aborder pour permette d'atteindre cet objectif (chaîne optique à 1083 nm, système de pilotage électronique).
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 sur ces sources incohérentes. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.
Le travail se divise en trois 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.
- Réaliser un prototype à base de "composants sur étagère" du laboratoire qui consiste en une gravure de motifs complexes sur une couche de diélectrique au dessus d'une µLED. Cette partie est sujette à l'intégration de la thèse dans les projets axés "Métasurfaces" du laboratoire afin de profiter d'un financement type IPCEI ou projet européen. Cette partie est optionnelle dans le projet de thèse, à moduler selon opportunités de financement d'un tel prototype.
Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques. Les efforts consentis à développer une telle méthodologie pourront bénéficier à d'autres laboratoires du DOPT, travaillant eux aussi sur les métasurfaces.
Modélisation et caractérisation des transistors CFET pour l’amélioration des performances électriques
Les transistors CFET (Complementary Field Effect Transistors) représentent une nouvelle génération de dispositifs CMOS empilés verticalement, offrant un fort potentiel pour poursuivre la miniaturisation des circuits intégrés et répondre aux exigences du calcul haute performance.
L’objectif de cette thèse est d’étudier et d’optimiser la mise en contrainte du canal de conduction afin d’accroître la mobilité des porteurs et d’améliorer les performances électriques des CFET. Le travail portera à la fois sur la modélisation numérique des procédés technologiques, réalisée par éléments finis, et sur la caractérisation expérimentale des déformations cristallines à l’aide de la microscopie électronique en transmission couplée à la diffraction électronique précessionnée (TEM-PED).
La partie modélisation visera à prédire les distributions de contraintes et leur impact sur les propriétés électriques, en intégrant la complexité des empilements technologiques et des étapes critiques du procédé, telles que l’épitaxie. En parallèle, la caractérisation par TEM-PED permettra de mesurer les champs de déformation et de confronter les simulations aux observations expérimentales.
L’ensemble du travail consistera à développer des outils de modélisation et des méthodologies de caractérisation adaptés à ces structures avancées, afin d’améliorer la précision spatiale, la reproductibilité et la compréhension des mécanismes de contrainte au cœur des transistors CFET.