Monitoring in situ du vieillissement des circuits amplificateurs de puissance RF pour une écoconception et une durée de vie étendue

L'industrie des semi-conducteurs, et en particulier celle des circuits radiofréquences (RF), fait face à des défis critiques liés à l'écoconception et à l'éco-innovation. Ces enjeux incluent la nécessité de prolonger la durée de vie des circuits tout en répondant aux attentes des marchés émergents tels que la 5G et la future 6G. Parmi ces circuits, les amplificateurs de puissance (PA) occupent une place centrale, étant à la fois des composants critiques en termes de performance énergétique et des cibles privilégiées pour l'amélioration de leur robustesse face au vieillissement et à leur éventuelle réutilisation.

Le monitoring in situ du vieillissement des PA représente une voie prometteuse pour développer des solutions à la fois innovantes et durables. A ce titre, ce sujet s'inscrit pleinement dans les stratégies d'écoconception en exploitant des plateformes technologiques avancées telles que les technologies CMOS SOI actuelles et futures, tout en intégrant les contraintes industrielles à travers des collaborations stratégiques existantes avec des partenaires majeurs du CEA Leti.

Cette thèse vise à concevoir une solution innovante de monitoring in situ pour évaluer et compenser le vieillissement des amplificateurs de puissance, prolongeant ainsi leur durée de vie grâce à des stratégies de réutilisation et d’autocorrection. Pour ce faire, elle reposera sur des méthodologies et des circuits adaptés à des cas concrets. Ainsi, l’ambition sera de développer une nouvelle génération de circuits robustes et durables, intégrant des mécanismes intelligents de gestion du vieillissement. En adoptant une approche d’écoconception, ce travail aura pour but de répondre aux défis environnementaux tout en renforçant la compétitivité industrielle des technologies CMOS SOI.

Etude de l’effet des vibrations sur le diagnostic des câbles électrique par réflectométrie

Cette thèse porte sur l’étude de l’effet des vibrations sur le diagnostic des câbles électriques par réflectométrie. Les systèmes câblés, présents dans de nombreuses infrastructures critiques telles que l’aéronautique, le ferroviaire, le spatial ou le nucléaire, sont soumis à des contraintes mécaniques et environnementales susceptibles de provoquer des défauts non francs et intermittents. Sous l’effet des vibrations, ces défauts peuvent apparaître, disparaître ou modifier leur signature électrique, ce qui rend leur détection particulièrement complexe.

L’un des enjeux majeurs concerne les situations de type No Fault Found, dans lesquelles un défaut observé en fonctionnement devient non reproductible lorsque les conditions vibratoires disparaissent. Un autre enjeu important est le masquage temporaire de certains défauts par les vibrations, pouvant conduire à des faux négatifs lors du diagnostic et retarder la détection d’une dégradation latente.

L’objectif de la thèse est de mieux comprendre et modéliser le comportement électromécanique des défauts de câbles soumis à des sollicitations vibratoires, afin de relier les profils de vibration, l’évolution mécanique et électrique du défaut, ainsi que les signatures mesurées par réflectométrie. Le travail reposera sur des expérimentations couplant réflectométrie rapide et caméra haute vitesse, ainsi que sur le développement de modèles et d’outils d’analyse. Les données expérimentales et simulées seront ensuite exploitées afin d’améliorer la détection, la caractérisation et la prédiction de l’évolution des défauts, dans une perspective de diagnostic avancé et de maintenance prédictive.

Développement de nanomatériaux à résistance thermique accrue, à base de silicium amorphe, destinés aux microbolomètres

Ce travail de thèse a pour objectif de développer des matériaux performants destinés à la prochaine génération de microbolomètres, en mettant particulièrement l'accent sur l'augmentation de la résistance thermique des bras supportant les pixels, dans un contexte de réduction de leur pas. Notre approche vise à tirer parti de la conductivité thermique plus faible des matériaux induite par des hétérogénéités contrôlées à l'échelle nanométrique. À cette fin, nous avons déjà démontré la fabrication de films minces de silicium amorphe nanocristallin (nc-aSi) (de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur) présentant une conductivité thermique prometteuse.
Dans le cas du nc-aSi, diverses techniques de caractérisation — spectroscopie Raman, diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et méthode 3 Omega pour les mesures de conductivité thermique — seront utilisées pour établir une corrélation entre les conditions de dépôt, la nanostructure et les propriétés de transport thermique, afin d'identifier des stratégies visant à réduire sa conductivité thermique.
Les connaissances acquises grâce à l'étude du nc-aSi pourraient être étendues à d'autres matériaux.
Idéalement, la combinaison de l'analyse des mesures thermiques avec des modèles théoriques de conduction permettra de mieux comprendre les mécanismes de propagation de la chaleur dans ces matériaux nanocristallins.
Enfin, le potentiel d'intégration technologique de ces matériaux au sein de la chaîne de fabrication des microbolomètres sera évalué, notamment en termes de résistance mécanique et de robustesse thermique.

Mise à l’échelle des jumeaux numériques de réseau par une gestion adaptative de la fidélité

Les futurs systèmes de communication, tels que les réseaux 6G, évoluent vers des infrastructures hautement distribuées, autonomes et hétérogènes, intégrant des architectures de continuum cloud-edge, l’Open RAN (O-RAN), des déploiements massifs d’objets connectés (IoT), l’informatique en périphérie (edge computing) et des environnements radio particulièrement dynamiques.

Ces systèmes devront prendre en charge des services exigeants tels que les communications critiques, l’automatisation industrielle, la mobilité autonome et les applications immersives, tout en fonctionnant dans des conditions caractérisées par un trafic fortement variable, des changements fréquents de topologie, une disponibilité fluctuante des ressources ainsi que des exigences strictes en matière de latence et de fiabilité.

La gestion de tels systèmes, notamment pour réaliser des opérations de configuration, d’optimisation et d’évolution sans risque, devient de plus en plus complexe. Cette difficulté est particulièrement marquée lorsqu’il s’agit d’effectuer une optimisation du réseau en temps réel, des analyses prospectives (« what-if »), du diagnostic de pannes ou encore de planifier des mises à niveau et des extensions du réseau.

Afin de répondre à ces défis, plusieurs initiatives de recherche récentes se sont intéressées à l’application du paradigme des jumeaux numériques aux réseaux de communication, donnant naissance au concept de "Network Digital Twins (NDTs)" ou "jumeaux numériques de réseau".

Un jumeau numérique de réseau est une représentation virtuelle d’un réseau de communication qui reste suffisamment synchronisée avec l’infrastructure physique pour reproduire son état opérationnel et son comportement, permettre des analyses prédictives et évaluer des scénarios hypothétiques avant l’application de décisions au système réel.

Cependant, maintenir un NDT précis et temporellement cohérent dans des réseaux de grande échelle et fortement dynamiques demeure un défi majeur.

Les NDT actuels reposent principalement sur des mécanismes explicites de synchronisation afin de préserver la fidélité entre les systèmes physique et virtuel. Bien que des travaux récents aient introduit des mécanismes de prédiction assistés par l’intelligence artificielle pour réduire la surcharge liée à cette synchronisation, ces approches ne résolvent pas entièrement le problème de l’adaptation dynamique de la fidélité du NDT en fonction de l’incertitude des prédictions, de la valeur de l’information, de la dynamique du réseau et des exigences opérationnelles.

La fidélité adaptative peut être interprétée comme un mécanisme de représentation multi-résolution, dans lequel le jumeau numérique ajuste dynamiquement sa granularité d’observation, son coût de synchronisation et sa précision de reconstruction en fonction de la valeur de l’information, de l’incertitude prédictive, de la dynamique du réseau et des ressources disponibles.

L’objectif principal de cette thèse de doctorat est de concevoir, développer et valider un cadre de gestion adaptative de la fidélité (Adaptive Fidelity Management) permettant la mise en œuvre de jumeaux numériques de réseau évolutifs, efficaces en ressources et adaptés aux futurs systèmes de communication.

Optimisation statistique de la calibration des modèles de lithographie

Cette thèse offre l'opportunité de développer des méthodes statistiques pour optimiser et calibrer les modèles de lithographie utilisés pour générer des conceptions optimales de photomasques au moyen de la correction optique de proximité (OPC).
Les dispositifs microélectroniques à haute densité de circuits sont très demandés et font l'objet de recherches et d'études approfondies par les industries. Une façon d'obtenir une densité de circuit plus élevée consiste à diminuer la dimension ou le pas du motif. Cependant, à mesure que la dimension du motif diminue, le défi de fabrication augmente. Une technique d'amélioration de la résolution (RET) telle que l'OPC doit donc être utilisée pour générer un photomasque de tels circuits.
OPC vise à améliorer la fidélité du motif de plaquette en compensant les erreurs dues aux effets optiques ou de processus lors des étapes de fabrication. Pour mettre en œuvre cette correction, un modèle de lithographie doit être généré en tenant compte du système d'exposition et des caractéristiques de la photorésiste. Ces modèles sont calibrés à l'aide d'un très grand volume de données expérimentales qui incluent des mesures CD-SEM et des contours extraits d'images SEM. L'acquisition des données et le post-traitement des images constituent un goulot d'étranglement dans le flux d'étalonnage des modèles, consommant énormément de temps et de ressources.
Durant la période de thèse, les travaux seront axés sur :
Modèles de test innovants pour optimiser les données d'entrée pour l'étalonnage du modèle
Optimisation statistique et algorithmique du flux de calibrage du modèle
Impact de la variabilité des données expérimentales sur les modèles de lithographie

Composant photonique d'extraction par couplage évanescent pour l'interaction optique guidée/optique espace libre

L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle classe de dispositifs optiques destinés à assurer l'interface entre les circuits photoniques intégrés (PIC, Photonic Integrated Circuits) et l'optique en espace libre. Ces dispositifs ont été étudiés dans le cadre d'un travail fondateur réalisé lors d'une précédente thèse. Ils reposent sur l'utilisation d'une structure prismatique obtenue par nano-impression et fixée à la surface d'un PIC. Grâce au couplage évanescent et aux réflexions au sein de cette structure, les ondes guidées peuvent être transférées du PIC vers un système optique externe. L'utilisation de matériaux électro-optiques pourrait permettre à cet extracteur de proposer des applications intéressantes en tant qu'extracteur commutable.
Le ou la doctorant(e) approfondira la théorie du dispositif afin d'en améliorer les performances. Il ou elle mènera des expériences portant sur l’intégration (packaging), l'holographie et la caractérisation des PIC. Son objectif sera de fabriquer une large gamme de dispositifs prototypes destinés à être testés. Une attention particulière sera portée à l'évaluation du comportement des dispositifs fabriqués sur une large plage spectrale, allant du visible à l'infrarouge proche.
Le ou la doctorant(e) utilisera un logiciel de simulation FDTD (Finite-Difference Time-Domain) afin d'évaluer les caractéristiques de propagation de l'onde lors de sa transition d'un milieu confiné vers l'espace libre. Il ou elle définira les structures prismatiques optimales qui seront reproduites par nano-impression. Il ou elle intégrera ces structures polymères sur des échantillons de PIC au moyen de protocoles délicats de transfert et de collage en salle blanche. Il ou elle enregistrera des éléments optiques micro-holographiques à l'aide de lasers afin d'améliorer les capacités angulaires du dispositif final. Une grande partie de la thèse sera consacrée à la mise en œuvre et à l'utilisation de bancs expérimentaux optiques.

Développement d’un nano-coating zwitterionique bifonctionnel pour les aptacapteurs – un nouveau linker pour sondes biologiques qui supprime les adsorptions non-spécifiques

Le domaine du développement des biocapteurs se heurte régulièrement à la problématique des signaux non-spécifiques. L’apparition de ces signaux limite bien souvent les performances des biocapteurs et complique in-fine les transferts industriels. Le synoptique de fonctionnalisation pour les biocapteurs se résume généralement en trois étapes, i) fonctionnalisation du transducteur avec une molécule linker, ii) immobilisation d’une sonde biologique (anticorps, aptamères, oligonucléotides…) grâce au linker, iii) traitement avec l’entité de blocage des interactions non-spécifiques. La littérature regorge de solutions qui font la part belle au blocage de ces interactions non-spécifiques avec différents types d’entités chimiques ou biologiques : protéines (BSA, caséine…), polymères (PEG, PVP) ou petites molécules (éthanolamine, hexylamine...).
Pour autant, une approche alternative de fonctionnalisation avec un linker offrant à la fois la capacité d’immobiliser des sondes biologiques, tout en assurant le blocage des interactions non-spécifiques représente une piste innovante pour le développement de biocapteurs.
Ce projet de thèse consiste à explorer le design et la fonctionnalisation de surface avec un nano-coating bifonctionnel répondant à cette approche. Concernant le blocage, les polymères zwitterioniques seront au coeur du développement. En effet, de nombreux travaux démontrent leur capacité à réduire drastiquement les interactions des milieux biologiques complexes avec les surfaces qui en sont pourvues. Par ailleurs, il est possible d’exploiter les fonctions chimiques de certains types de zwitterions pour immobiliser à la demande des sondes biologiques. Après avoir optimisé leur activité en phase homogène, des aptamères seront immobilisés sur des transducteurs silicium (QCM-d et puce photonique) par l’intermédiaire du nano-coating zwitterionique bifonctionnel. L’objectif de la thèse est d’obtenir une preuve de concept d’un biocapteur fonctionnalisé avec ce linker qui assure la réduction des signaux non-spécifiques tout en assurant la détection spécifique de la cible envisagée (modèle Tyrosinamide) dans des milieux modèles et complexes issus du biomédical, tels que le sérum ou le plasma.

Une meilleure compréhension structurale en nanoélectronique grâce à la microscopie à rayons X en champ sombre

La microscopie à rayons X en champ sombre (DFXM) est une technique synchrotron émergente et non destructive, capable d’imager les contraintes et les défauts cristallins avec une résolution de 30 à 100 nm sur de larges champs de vue. Les améliorations récentes à l’ESRF et sur la ligne de lumière ID03 ont augmenté l’intensité des rayons X de deux ordres de grandeur, permettant l’étude des structures nanométriques les plus complexes fabriquées en salle blanche. Cette thèse a pour objectif d’exploiter la DFXM pour l’analyse d’architectures microélectroniques avancées soumises à des contraintes thermo-mécaniques critiques. La DFXM fournira une cartographie 3D des contraintes, de l’orientation et des défauts enfouis dans des dispositifs complexes sans destruction de l’échantillon. Une étude comparative sera menée avec des techniques locales de rayons X complémentaires disponibles sur synchrotron telles que la microdiffraction Laue et la microscopie de diffraction des rayons X en balayage (SXDM). Des corrélations multi-échelles seront établies avec la MET et la spectroscopie Raman. Des simulations par éléments finis appuieront l’interprétation en modélisant le comportement mécanique sous charge thermique ou en conditions opérationnelles. L’objectif est de définir une méthodologie robuste pour l’analyse multi-échelle des contraintes dans les composants de la microélectronique.

Cette thèse se déroulera au CEA–Leti sur la plateforme de Nano-caractérisation, et s’inscrit dans une collaboration étroite avec la ligne ID03 de l'ESRF et soutient les avancées dans les technologies quantiques, la photonique et les technologies microélectroniques à haute efficacité énergétique. Ce travail contribuera à améliorer la fiabilité et l’optimisation de la conception des dispositifs de prochaine génération.

Développement de microcalorimètres magnétiques ultra haute résolution pour l’analyse isotopique d’actinides par spectrométrie de photons X et gamma

Le sujet de thèse porte sur le développement de microcalorimètres magnétiques (CMM) ultra haute résolution pour améliorer l’analyse isotopique d’actinides (uranium, plutonium) par spectrométrie X et gamma autour de 100 keV. Cette analyse, essentielle dans le cycle du combustible nucléaire et la lutte contre la prolifération, repose traditionnellement sur des détecteurs HPGe, dont la résolution limite la précision. Pour surmonter ces limites, le projet vise à utiliser des détecteurs cryogéniques de type CMM fonctionnant à des températures inférieures à 100 mK et capables d’atteindre une résolution énergétique dix fois meilleure que celle des HPGe. Les détecteurs CMM seront microfabriqués au CNRS/C2N avec des composants supraconducteurs et paramagnétiques, puis testés au LNHB. Une fois étalonnés, ils serviront à mesurer avec précision les spectres de photons des actinides afin de déterminer avec précision les paramètres fondamentaux atomiques et nucléaires des isotopes étudiés. Les résultats obtenus enrichiront les bases de données nucléaires et atomiques utilisées dans les codes de déconvolution permettant une analyse isotopique d'actinides plus fiable et précise.

Déploiement matériel robuste de réseaux de neurones

Les technologies matérielles non conventionnelles émergentes sont essentielles pour les futures applications d’Edge-AI, mais elles présentent souvent de la variabilité, des désappariements entre composants et une dispersion technologique. Ces non-idéalités peuvent fortement réduire la précision d’inférence des modèles d’IA si aucun réglage fin ou calibrage n’est appliqué. Le fine-tuning supervisé traditionnel est difficile à industrialiser, car il soulève des problèmes liés à la confidentialité des données, à la qualité de service, à la complexité logicielle et aux contraintes matérielles.

Ce sujet de thèse vise à développer des méthodes de co-conception matériel-algorithme permettant d’éviter le réentraînement supervisé complet directement sur la puce. L’objectif principal est de créer des stratégies d’auto-calibrage au niveau de l’inférence, indépendantes de la tâche, capables de compenser les désappariements matériels au niveau système. Le travail s'intéressera les méthodes d’adaptation existantes, notamment celles fondées sur les poids, les caractéristiques, les sorties et l’adaptation de domaine.

Le projet permettra de développer au travers d'une application pertinente d’Edge-AI une méthode générique de fine-tuning et la validera au moyen de simulations électriques bas niveau. Si possible, l'approche proposé pourra également être testé expérimentalement sur une plateforme matérielle basée sur un ASIC.