Développement de capteurs et de spectromètres à transformée de Fourier dans le moyen-infrarouge en photonique intégrée sur silicium

Les spectromètres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR) sont devenus un outil de référence pour l'analyse chimique. L'un des prochains défis est l'intégration des FTIR sur des circuits photoniques intégrés (PIC) en utilisant des plateformes silicium optimisées pour le moyen infrarouge (MIR) dans le but d'améliorer la compacité et la scalabilité. Vous simulerez des composants clés de PIC MIR, en vous concentrant sur la modélisation thermo-optique, concevrez des masques de photoloithographie, suivrez la fabrication et caractériserez les FTIR et les capteurs. Les applications de détection viseront principalement la détection et l'identification des gaz à effet de serre, mais pourraient également englober la contamination plastique et la biodétection. Vos simulations et optimisations aborderont la photonique et la gestion thermique. Bien que des ingénieurs dédiés seront responsables de la fabrication des wafers en silicium dans nos salles blanches, vous serez impliqué dans les spécifications et dans le suivi des contrôles de qualité en ligne pour assurer le bon fonctionnement des composants fabriqués. Vous serez en charge de la caractérisation des composants FTIR et capteurs à l'échelle du wafer et de la puce sur des bancs opto-électroniques moyen infrarouges personnalisés. Des composants non optimisés seront disponibles à votre arrivée. Vous ferez partie de l'équipe responsable de la modernisation des outils de caractérisation pour effectuer des mesures automatisées plus rapides et plus précises. Vous analyserez et interpréterez les données expérimentales pour approfondir la compréhension des avantages et des limitations des FTIR intégrés par rapport à leurs homologues plus volumineux en optique libre. Vous serez amené à publier des articles de recherche et à participer à des conférences internationales. Des brevets pourraient également être le résultat de votre travail.

Analyse et quantification par XPS des dopants actifs dans des couches épitaxiées fortement dopées

L’épitaxie RP-CVD joue un rôle important en microélectronique car elle permet la croissance de couches fortement dopées tout en conservant l’orientation cristalline du substrat de départ. Le contrôle de ces couches est indispensable pour assurer la fiabilité des dispositifs. Un fort dopage de films minces de Si ou SiGe est notamment nécessaire pour réduire la résistivité des contacts. L’objectif de cette thèse est de développer une technique de caractérisation capable de mesurer la quantité de dopants et leur environnement chimique qui détermine s’ils sont électriquement actifs ou pas. Le travail consistera à évaluer la spectroscopie de photoélectrons (XPS) pour quantifier les dopants As, P et B et identifier leur état chimique. L’impact des conditions de croissance sera évalué, en variant notamment la température et la nature des précurseurs, afin d’obtenir des couches fortement dopées sans dégradation morphologique, tout en minimisant la concentration de dopants inactifs. Des développements méthodologiques seront menés en XPS pour parvenir à caractériser ce dopage au niveau des lignes de production avec une bonne répétabilité. Les conditions d’analyse et de traitement des spectres seront optimisées. Le doctorant sera aussi amené à réaliser des mesures exploratoires en XPS à haute énergie (HAXPES). D’autres techniques de caractérisation telles que le SIMS, le FTIR et l’XRD ainsi que des mesures électriques viendront compléter les résultats obtenus.

Investigation des Modes de Dégradation des modules PV pour les applications en Moyenne Tension

Afin de réduire les pertes énergétiques et les coûts, les centrales photovoltaïques ont vu leur niveau de tension augmenter, qui devrait dépasser les 1500 Vdc normatifs pour atteindre jusqu’à 3000 Vdc prochainement. Des tensions encore plus élevées, jusqu'à 9000 V, pourraient offrir des avantages économiques très significatifs.
L'augmentation de la tension pose des défis scientifiques majeurs car elle se retrouve à l’intérieur de certains modules PV entre le cadre métallique et les cellules. Cela entraîne des dégradations regroupées sous le terme de Potential-Induced Degradation (PID), entraînant des pertes de puissance significatives. Ces dégradations peuvent avoir plusieurs origines : un court-circuit de la jonction PN (PID-s), une dépolarisation de la couche de passivation de la cellule solaire (PID-p) ou une corrosion de la métallisation (PID-c). La compréhension des phénomènes de PID à tension moyenne reste limitée, et il manque des études complètes sur les matériaux des modules, l'interaction entre PID et vieillissement, ainsi que le comportement du PID dans des technologies de cellules avancées.
La thèse proposée vise à identifier les propriétés des matériaux nécessaires pour que les modules PV puissent supporter des tensions élevées, en combinant approche expérimentale et simulation.
Le doctorant devra caractériser les matériaux PV (verres, encapsulants) sous des tensions allant jusqu’à 9000 V, évaluer l'impact du vieillissement sur les propriétés de ces matériaux, étudier l'influence des conditions environnementales sur le PID, modéliser la distribution du champ électrique dans les modules PV, et développer des stratégies de mitigation du PID. Cette recherche sera réalisée en collaboration entre le G2Elab et le CEA, combinant expertise en caractérisation des matériaux sous moyenne tension et fabrication des modules photovoltaïques.

Dynamique non linéaire d’aimantation excitée par des ondes acoustiques de surface

Les signaux RF sont omniprésents dans la société connectée d’aujourd’hui. D’un côté, les dispositifs à ondes acoustiques de surface fabriqués sur des substrats piézoélectriques sont largement utilisés pour discriminer les fréquences. Bien que très économes en énergie, ces dispositifs fonctionnent principalement dans des applications à bande étroite et effectuent des opérations linéaires conservant la fréquence. D’autre part, les dispositifs magnoniques s’appuient sur les propriétés spécifiques des ondes de spin dans les matériaux ferromagnétiques et sont hautement accordables et non linéaires, mais souffrent de pertes d’insertion importantes. Heureusement, les effets magnéto-élastiques et magnéto-rotatifs peuvent coupler la dynamique de l’aimantation d’un film ferromagnétique mince déposé sur un substrat piézoélectrique à celle de son réseau cristallin. Par exemple, nous avons récemment démontré qu’il est possible d’exciter la dynamique linéaire de l’aimantation d’un nanodisque ferromagnétique de CoFeB grâce à une onde acoustique de surface actionnée électriquement dans le substrat LiNbO3 sous-jacent [1].

L’objectif de cette thèse sera de démontrer que cela peut également être réalisé dans un régime non linéaire. Pour cela, le disque ferromagnétique sera aimanté dans le plan. Dans cette configuration, la précession de l’aimantation est elliptique, ce qui permet d’exciter paramétriquement les modes propres des ondes de spin du disque à l’aide d’un champ magnétique RF parallèle à l’aimantation du disque avec une fréquence proche du double des fréquences propres [2]. L’originalité ici sera de remplacer le champ d’excitation RF habituellement produit par une antenne inductive par les champs effectifs associés aux termes magnéto-élastiques et magnéto-rotationnels actifs lorsqu’une onde acoustique de surface est excitée dans le substrat. Ces mesures seront réalisées sur des échantillons fabriqués en collaboration avec un autre laboratoire (C2N) et grâce à une technique de microscopie à force magnétique hautement sensible développée au SPEC. Des simulations micromagnétiques utilisant Mumax3 seront également réalisées afin de comprendre le seuil en amplitude de l’onde acoustique à dépasser pour exciter les modes paramétriques dans le disque.

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet NELSON (« Non-Linear Surface acoustic wave platform enabled by spin wave hybridizatiON ») récemment financé par l’ANR.

[1] R. Lopes Seeger et al., Phys. Rev. Lett. 134, 176704 (2025)
[2] T. Srivastava et al., Phys. Rev. Appl. 19, 064078 (2023)

Vers des protocoles efficaces et authentifiés pour l'intersection privée d'ensembles dans des environnements multi-clouds

L'Intersection d'Ensembles Privée (PSI) est un protocole cryptographique qui permet à deux (ou plusieurs) parties, détenant chacune un ensemble d'éléments, de calculer l'intersection de leurs ensembles sans révéler aucun élément en dehors de cette intersection. Autrement dit, chaque partie apprend uniquement quels éléments elles ont en commun, et rien d'autre concernant les données de l'autre partie. Par exemple, deux entreprises pourraient collaborer pour découvrir quels clients elles partagent en commun sans divulguer les clients qui sont propres à une seule entreprise. Le PSI est un cas particulier du calcul multipartite sécurisé qui se concentre sur le chevauchement d'ensembles; il a des applications dans la découverte de contacts privés (comme pour Signal ou Whatsapp ou durant le Covid), l'exploration de données respectueuse de la vie privée... Dans cette thèse, nous étudions les améliorations du PSI avec le chiffrement entièrement homomorphe.

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.

Compréhension des évolutions microstructurales au cours des traitements thermiques pour les aimants SmCo riches en fer

Les performances magnétiques des aimants en SmCo (rémanence et coercitivité) sont liées à leur microstructure. La microstructure finale sera développée après frittage lors de traitements thermiques d’homogénéisation et de vieillissement. La température et/ou la durée optimales de ces traitements dépendent de la composition de l'aimant. L'un des axes de développement majeurs pour les aimants commerciaux Sm2Co17 consiste à obtenir à la fois des performances magnétiques élevées et une réduction des matières critiques (le cobalt notamment). Ceci est réalisé par substitution d’une partie de Co avec du Fe, ce qui permet également de réduire les couts des matières premières. Cependant, la littérature montre que lorsque la teneur en Fe dépasse 20 % en poids, la coercitivité des aimants est détériorée.
L’objectif de la thèse sera de comprendre le rôle et la sensibilité des paramètres du procédé qui pilotent l’évolution de la microstructure au sein d’aimants Sm2Co17 riches en Fe et des propriétés qui en découlent. Ces évolutions seront suivies par différentes caractérisations (analyses chimiques, mesures magnétiques, observations MEB et MET, …) effectuées sur des échantillons prélevés lors des différentes étapes du procédé. L’objectif est de suivre de façon systématique (et pour la première fois sur ce type d’aimants) les transformations structurales (ségrégations chimiques, évolution de la teneur en Sm, présence de défauts, contamination en oxygène, etc…) intervenant, depuis la synthèse de l’alliage jusqu’à l’aimant final. Ces caractérisations doivent permettre d’aboutir à une description des mécanismes de formation de la microstructure attendue. Ces mécanismes sont activés lors des différents traitements thermiques mais l’influence de l’état métallurgique et chimique (par exemple la densité de défauts et l’inhomogénéité chimique) hérité des étapes précédentes du procédé est encore mal connu et devra être précisé.

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.