Substrats Germanium sur isolant (GeOI) pour la photonique : amélioration de la qualité cristalline et mise sous contrainte
Depuis environ 2010, on assiste à une course au laser Ge, à laquelle participent notamment le MIT, l’université de Stanford, l’université de Paris Sud et le Leti. En parallèle, le laboratoire des professeurs Takagi et Takenaka à l’université de Tokyo est à la pointe de développements de composants photoniques à base de Ge pour le proche infra-rouge.
Le post-doc consistera à développer des substrats GeOI à partir de substrat Ge massif avec mise en traction du film. Ces développements seront réalisés à partir des procédés Smart Cut / collage amincissement existants, combinés à des étapes permettant de dépasser leurs limites actuelles (e.g. collage type SAB). Les matériaux obtenus seront caractérisés pour déterminer leur état de déformation ainsi que leur endommagement (Raman/XRD) et des substrats seront fournis aux laboratoires applicatifs pour réalisation de composants photoniques.
Eco-innovation de matériaux isolants par IA, pour la conception d'un futur câble à grande longévité, résilient, bio-sourcé et recyclable
Ce sujet s’inscrit dans un projet plus vaste à venir, pour la création, par IA, d’un nouveau câble électrique pour les futures centrales nucléaires, fiable et résilient ayant des capacités d’auto-réparation, notamment vis-à-vis de son vieillissement. L’objectif est de concevoir des câbles dont la durée de vie sera bien plus longue que les câbles existants dans un démarche d’éco-Innovation. Nous nous focalisons sur l’isolant de câble car c’est l’élément le plus critique pour l’application et le plus sensible au vieillissement. La solution actuelle est basée sur l’ajout d’additifs (antirads et antioxydants) dans cet isolant pour limiter les effets de l’irradiation et retarder au maximum son vieillissement. Mais il existe une autre solution qui n’a jamais encore été testée : les matériaux auto-réparant.
Le projet auquel est rattaché le sujet, a pour objectif la conception et la réalisation de plusieurs éprouvettes modèles d’isolant de câble adossé à des protocoles de caractérisation afin de vérifier le gain en terme de fiabilité et de résilience. Les résultats obtenus commenceront à alimenter une base de données de la future IA autour de la plate-forme Expressif, développée au CEA List, qui nous servira à concevoir le futur câble.
Etude des phénomènes physiques entrant en jeu dans le vieillissement des nanofils de silicium utilisées comme jauges de détection piézorésistives pour la réalisation de capteurs MEMS inertiels.
C’est grâce aux récents développements de la microélectronique que des nouvelles générations de capteurs alliant hautes performances, taille réduite et faible coût ont pu voir le jour. Dans ce contexte, le CEA-LETI a proposé un nouveau concept novateur appelé M&NEMS pour la réalisation de capteurs inertiels de type accéléromètres, magnétomètres et gyromètres. Le concept M&Nems combine les technologies MEMS et NEMS de manière à profiter de la grande force d’inertie générée par une masse MEMS et de la forte sensibilité de détection de jauges NEMS piézorésistives. Des démonstrateurs ont d’ores et déjà été réalisés et ont permis de démontrer l’intérêt du concept M&Nems, l’un des principaux challenges qui reste à relever concerne la fiabilité des capteurs reposant sur ce concept et en particulier des nano jauges piézorésistives. Le travail de recherche sera donc essentiellement focalisé sur l’étude des modes de défaillances de ces nano jauges piézorésistives avec identification des phénomènes physiques et mise en place de modèles de défaillance. Pour ce faire, un premier travail préliminaire pourra être axé sur la physique du composant avec une étude de la conduction électrique dans les nano jauges : piézorésistivité, piégeage de charges et relaxation, effet de champ… L’étude pourra se poursuivre ensuite par l’étude des modes de défaillances des nano jauges proprement dites, il s’agira concrètement d’être en mesure de comprendre et modéliser la physique de vieillissement de ces nano jauges. Pour ce faire, il sera possible de s’appuyer sur les connaissances acquises sur la physique de conduction des nano jauges mais aussi de jouer sur les paramètres physiques des nano jauges. Au final, les modèles de vieillissement mis en place devront permettre de proposer et valider des choix technologiques de manière à garantir la durée de vie des nano jauges en fonction des conditions d’utilisation des capteurs.
Double report de films minces piézoélectrique pour l’élaboration de dispositifs RF innovants
Ces travaux visent à étudier et développer un nouveau concept de multireport de films minces piézoélectrique pour des applications RF. Le candidat sera en charge du développement de l’ensemble de la filière de réalisation de ces structures multicouche et des composants RF 3D. Pour cela, il devra maitriser les mécanismes physiques intervenant dans la technologie de transfert de film et concevoir l’architecture complète notamment via la simulation des propriétés RF des filtres attendues. Une fois la structure définie et les principes fondamentaux maîtrisés, le candidat devra alors identifier les développements nécessaires en relation avec les experts technologique du Léti, assurer leur mise en place sur la plateforme technologique de réalisation et prendre en charge la réalisation des étapes les plus critiques.
Le développement de cette filière de réalisation devra ainsi permettre la génération de substrats possédant une qualité et des propriétés compatibles avec le cahier des charges des composants. La fonctionnalité des substrats devra alors être démontrée via la réalisation de composants RF pertinents afin de démontrer l’apport de cette nouvelle solution technologique au niveau des applications visées.
Le candidat devra faire preuve d’autonomie, d’initiative et de rigueur scientifique afin de s’approprier l’ensemble de la technologie de réalisation.
Evolution des couches superficielles résultant des interactions physico-chimiques entre bétons bas pH et argiles : expérimentations et simulations
La conception d’une installation industrielle de stockage de déchets radioactifs en milieu géologique est un enjeu important pris en compte dans la filière énergétique nucléaire française. Dans ce contexte les matériaux cimentaires occupent une place importante (colis, structures).
L’objectif principal de l’étude proposée est de caractériser les altérations des matériaux mis en contact dans le stockage (interface béton-argile), provoquées par les sollicitations chimiques qu’ils s’infligent mutuellement. Au stade actuel, une approche globale a été enclenchée prenant en compte simultanément la chimie du site de stockage et les bétons envisagés pour cette application à base de ciments commerciaux ou de liants innovants (bas pH) formulés spécifiquement. Sur ces matériaux bas pH en particulier, des questions subsistent quant à leurs évolutions minéralogiques et microstructurales dans le temps. Un programme expérimental bien ciblé (essais dédiés, caractérisations microscopiques), complété par des simulations numériques, permettra de consolider les connaissances indispensables en vue d’une utilisation de ces matériaux.
Ce projet fera intervenir à la fois des spécialistes des matériaux cimentaires du CEA, ainsi que des chercheurs du laboratoire Hydrasa de l’Université de Poitiers.
Développement d’un électrolyte solide pour l’optimisation des microbatteries au lithium
De nos jours les besoins en énergie sont de plus en plus importants pour des espaces de plus en plus petits. Les microbatteries au lithium sont l’une des solutions à la miniaturisation des sources d’énergie. Ces microsources d’énergie sont fabriquées par des techniques de dépôt compatibles avec la microélectronique (couches minces, lithographie …) et sont utilisables comme n’importe quel composant, intégrables dans des circuits. Mais la miniaturisation impose d’avoir des matériaux de plus en plus performants afin garder de bonnes propriétés sur des objets de plus en plus petits. L’électrolyte est l’une des trois couches actives d’une batterie au lithium.
L’objectif de ce post-doc est de développer la couche d’électrolyte afin d’optimiser ses performances. Une partie du travaillera portera sur l’optimisation de l’électrolyte utilisé actuellement et une autre partie sur le développement d’un nouveau matériau.
Le travail est expérimental. Le dépôt des couches se fait par dépôt Physique en phase Vapeur (PVD). Il s’agit de réaliser des cibles, des dépôts et de faire la caractérisation physico-chimique et électrique des échantillons. Le travail se fait au sein d’une équipe de caractérisation en collaboration avec les équipes de dépôt.
Le post-doc a lieu au CEA/LITEN/DTNM/LCMS dans le cadre d’un laboratoire commun CEA/ST Microélectronics.
Etude du retrait sélectif d’alliages métalliques pour la siliciuration avancée des transistors CMOS sub-20 nm
Les performances du transistor CMOS dépendant de la réduction de la résistivité des contacts électriques, l’amélioration du procédé de siliciuration auto alignée est un point clé pour atteindre les exigences de l’ITRS relatives aux futurs noeuds technologiques. La réaction entre une fine couche métallique (Ni1-yPty < 10nm) et le substrat de silicium permet de diminuer les résistances d’accès aux zones source et drain du transistor. Déposé par PVD sur toute la plaque, le métal, sous l’effet d’un traitement thermique, réagit préférentiellement avec les zones semiconductrices plutôt que diélectriques. Le métal non réagi est ensuite gravé dans une solution acide sélective au siliciure métallique. Au vu des nouvelles spécifications (couches ultra fines d’alliages à base de Ni, diminution des budgets thermiques menant à des siliciurations partielles, introduction de nouveaux métaux) requises pour les noeuds technologiques avancés (C20nm et C14nm), la capacité à retirer chimiquement les excès de métal non réagi sur les zones diélectriques doit être évaluée. Dans la salle blanche du CEA-LETI, le candidat sera amené à travailler sur des solutions chimiques innovantes pour graver sélectivement différentes couches métalliques (Ni, Pd, NiCo, NiPd). Les premiers tests conduits sur échantillons permettront d’établir les cinétiques d’attaque et la sélectivité globale sur dispositifs. Avec différentes techniques de caractérisation (TXRF, XRR, AFM, SEM, TEM, XRD), l’interaction des résidus métalliques avec le diélectrique et le comportement de la solution de retrait vis à vis des zones siliciuréees (rugosité, résistivité) seront étudiés. Différents semi-conducteurs (Si, SiGe…) et diélectriques (SiO2, SixNy…) seront investigués. Dans un second temps, les procédés de retrait sélectif les plus prometteurs seront implémentés sur un équipement 300 mm avant d’être intégrés et testés morphologiquement et électriquement sur des substrats comportant des architectures critiques.
Développement d’une cellule à Metal Support pour la production d’Hydrogène par Electrolyse à Haute Température
Le développement de Cellules à Métal Support (CMS) pour l’Electrolyse à Haute Température (EHT) constitue une innovation intéressante pour limiter les dégradations en fonctionnement de ces composants. L’augmentation de la durée de vie des cellules contribuera à réduire les coûts de revient et à positionner l’EHT comme une alternative réaliste face aux autres technologies de production d’hydrogène. La maîtrise de l’élaboration des CMS constitue toutefois un verrou important. Dans les procédés actuels, les couches fonctionnelles de la cellule sont constituées de matériaux céramiques qui sont assemblées avec le substrat métallique poreux à haute température (> 1000 °C). Les différences de comportement mécanique de ces matériaux ainsi que les conditions réductrices imposées par le métal conduisent aujourd’hui à des cellules dont les performances sont insuffisantes par rapport au cahier des charges. L’objectif du post-doctorat sera d’acquérir une meilleure connaissance des mécanismes intervenant lors de l’assemblage et de proposer et de tester des solutions technologiques pour fiabiliser l’élaboration de Cellules à Métal Support.
Mise en mouvement de gouttes par effet de gradient d’énergie de surface
La mise en mouvement de gouttes par effet d’électro-mouillage est maintenant étudiée et utilisée dans de nombreux systèmes et applications. Pour être opérante cette technique nécessite d’utiliser un champ électrique. Dans le cadre de cette étude postdoctorale, l’objectif est d’établir une méthode alternative à l’utilisation d’un champ électrique pour assurer la mise en mouvement d’une goutte de liquide. Aussi, l’élaboration de surfaces à gradient d’énergie de surface, réalisées par dépôt de couches minces ou par technique de texturation (ablation laser), est prévue. La principale difficulté technique va résider dans la maîtrise de la réalisation des motifs pour l’obtention de surfaces à énergie de surface différentes. En dehors des techniques dites « classiques » de réalisation de surface à gradient d’énergie de surface, une technique alternative avec utilisation de molécules activables par modification, soit du potentiel hydrogène (pH), soit de la température de paroi sera aussi étudié. Pour toutes les surfaces, un travail sur l’étude du couplage entre le gradient d’énergie de surface et la présence d’un gradient thermique sur la dynamique de déplacement de goutte sera aussi effectué.
Intégration de couches poreuses pour la réalisation de substrats temporaires avancés
Aujourd’hui, la course effrénée à la miniaturisation entraine des schémas d’intégration qui convergent vers des solutions de double report de films minces monocristallins permettant d’assurer une fonctionnalisation des deux faces du film augmentant ainsi la compacité et la performance des systèmes. Une solution disruptive a récemment été développée au sein du CEA-Léti basée sur l’introduction de couche en silicium poreux au cœur des procédés de fabrication des composants [a]. Ce type de technologie laisse présager un intérêt certain pour des applications de type électronique, MEMS ou encore photovoltaïque, et il convient donc désormais de valider cette technologie à plus large échelle et de cerner les mécanismes mis en jeu notamment lors de la rupture dans la couche poreuse.
Le candidat devra appréhender les spécificités des couches poreuses et de l’ensemble des étapes de réalisation nécessaires au report de film minces afin de valider et de mettre en place leur intégration au sein de démonstrateurs spécifiques qui auront été choisis. Une partie importante du travail portera sur une évaluation et une analyse scientifique du comportement des couches poreuses lors de sollicitation chimique, mécanique et/ou thermique par exemple en vue de forcer une reconstruction de surface des films poreux. Un autre axe d’étude portera sur le développement d’une technologie spécifique pour induire la rupture mécanique au sein de la couche poreuse enterrée. Le candidat devra évaluer la faisabilité d’une rupture par ultrasons et en étudier les mécanismes. Une partie importante des développements consistera également à caractériser finement les propriétés des films et des structures élaborées.
[a] A-S.Stragier et al., Journal of The Electrochemical Society, 158 (5) H595-H599 (2011)