Fiabilité et propriétés dynamiques des MOS-HEMT GaN : impact de la barrière enterrée et du type de substrat.
L'expansion rapide de l'IA et de l'informatique en nuage a placé des exigences sans précédent sur l'infrastructure des centres de données, où l'efficacité énergétique est désormais une contrainte définissante. Malgré leur potentiel, de nombreux systèmes de puissance reposent encore sur des dispositifs à base de silicium, qui souffrent de limitations intrinsèques d'efficacité entraînant des pertes d'énergie significatives. Les transistors à haute mobilité électronique GaN (GaN HEMTs), grâce à leur mobilité électronique supérieure et à leur tension de claquage élevée, représentent une alternative convaincante, capable d'atteindre des efficacités bien plus élevées dans la conversion de puissance. Cependant, leur adoption plus large est limitée par des défis de fiabilité, en particulier ceux liés aux mécanismes de piégeage de charge qui dégradent les performances du dispositif au fil du temps.
Dans ce projet de thèse, vous allez explorer les dynamiques fondamentales des porteurs de charge dans les GaN HEMTs, en vous concentrant sur les origines physiques des dérives de la résistance à l'état passant et de la tension de seuil - indicateurs clés de l'instabilité du dispositif. En analysant systématiquement le comportement électrique de ces transistors dans diverses conditions de fonctionnement, vous allez découvrir les mécanismes derrière leur dégradation et identifier des voies pour améliorer leur robustesse. Vos découvertes informeront directement l'optimisation des architectures de dispositifs, permettant le développement d'électroniques de puissance plus efficaces et fiables qui peuvent répondre aux exigences des centres de données modernes et au-delà.
Vous ferez partie d'une équipe de recherche multidisciplinaire au CEA-Leti, collaborant avec des experts en ingénierie des matériaux semiconducteurs, simulation de dispositifs et caractérisation électrique. Cet environnement vous fournira un ensemble de compétences complet, couvrant l'ingénierie de processus, les tests électriques avancés et les simulations TCAD. Cette position ne fera pas seulement évoluer votre expertise, mais vous placera également à l'avant-garde d'un domaine à impact mondial. En contribuant à l'avancement des GaN HEMTs, vous jouerez un rôle clé dans la définition de l'avenir de l'électronique de puissance - où l'innovation se traduit directement par des solutions technologiques durables.
Amplificateur faible bruit (LNA) en technologie SiGe HBT pour applications cryogéniques : conception, caractérisation et optimisation
La course pour construire un ordinateur quantique s'intensifie ! Ces systèmes de pointe fonctionnent à des températures inférieures à 4 K pour préserver les états quantiques essentiels au calcul. Pour assurer un contrôle et une détection efficaces, les circuits électroniques conventionnels doivent fonctionner de manière fiable à des températures cryogéniques, à proximité immédiate du processeur quantique, réduisant ainsi la complexité des câblages et améliorant les performances. Au-delà de l'informatique quantique, d'autres domaines—tels que l'exploration spatiale, le calcul haute performance ou la physique des hautes énergies—nécessitent également des circuits capables de fonctionner en dessous de 100 K.
Au cours de cette thèse, vous effectuerez la caractérisation et la modélisation électriques en radiofréquence (RF) de transistors bipolaires à hétérojonction silicium-germanium (SiGe HBT) dans un environnement cryogénique, contribuant à une meilleure compréhension de leur comportement et optimisant leur potentiel pour des applications dans des conditions extrêmes. Les objectifs sont doubles :
1. Caractérisation et modélisation électriques en RF :
• Réaliser des mesures électriques en RF de SiGe HBT à température cryogénique.
• Développer des modèles précis pour décrire leur comportement dans des environnements cryogéniques.
2. Optimisation des amplificateurs à faible bruit (LNA) :
• Étudier le comportement à basse température des dispositifs passifs et actifs individuels composant un LNA.
• Optimiser la conception de ces LNAs pour des applications cryogéniques.
Etude du stress mécanique dans les micro-batterie tout solide
Le CEA-Leti fournit des solutions intégrées de microstockage, notamment des microbatteries dites « tout-solide » (ou à électrolyte solide). Les microbatteries « tout-solide » comptent parmi les technologies de microstockage les plus prometteuses pour des applications dans plusieurs domaines tels que l'Internet des objets et les dispositifs implantables à usage médical. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des contraintes mécaniques sur les microbatteries, et plus particulièrement pendant les cycles de charge/décharge des microbatteries. Pour cela, deux approches seront envisagées : l'étude expérimentale avec le développement de bancs d'essais mécaniques et la simulation numérique.
Le travail du doctorant commencera par le développement des bancs d'essais, le premier permettant d'appliquer une pression variable à la surface d'une micro-batterie pendant les cycles de charge/décharge. Il/elle devra développer l'équipement de mesure de la pression. Une fois le banc d'essai mécanique fonctionnel, d’autres caractérisations, comme la mesure des déformations de l’anode seront envisagées. Parallèlement à ce travail expérimental, un modèle mécanique pourra être développé. Ce modèle sera affiné progressivement à l'aide des résultats expérimentaux obtenus avec le banc de test mécanique et de nouvelles caractérisations pourront être mises en place afin d'obtenir les propriétés mécaniques des différents matériaux utilisés. In fine, l’objectif sera de proposer l’intégration de nouvelles couches pour améliorer la tenue mécanique des microbatteries lors du cyclage.
Le collage de puces à plaque: des mécanismes physiques à l'élaboration de puces fines empilables
Le collage direct de puce sur des plaques est devenu depuis quelques années un axe de développement majeure en microélectronique et au cœur de nombreux projet du LETI aussi bien en photonique sur silicium que pour les applications 3D impliquant du collage hybride.
De par leur taille réduite, le collage de puces permet d’étudier les effet de bords du collage direct et de mettre en œuvre de nouveau process de collage direct pouvant éclairer de façon original les mécanismes du collage direct déjà bien étudié au LETI. D’un point de vue plus technologique, l’élaboration de puces fines empilables sera aussi une clé technologique très intéressante pour de nombreuses applications. Elle se présente comme une alternative astucieuse aux procédés damascènes classiques pour palier les difficultés liées à la planarisation de surfaces à faible densité de fortes topographies.
Dépôt sélectif d’oxydes par ALD
Pour la microélectronique du futur, le dépôt sélectif localisé ou Area Selective Deposition = ASD constitue une approche prometteuse pour simplifier les schémas d’intégration des nœuds technologiques les plus avancés. Ces approches d’ASD nécessitent d’être adaptées en fonction d’un trinôme comprenant le matériau à déposer, la surface de croissance et la surface inhibée.
Cette thèse se concentrera sur le dépôt sélectif d’oxydes (tels que SiO2, Al2O3, …) sur Si ou SiO2 et non sur le nitrure de silicium (SiN)qui est l’un des sujets les plus complexe en ASD afin d’évaluer l’intérêt de ce type de procédé pour la réalisation de transistors FDSOI avancés.
Pour développer ce procédé de dépôt sélectif de SiO2, différentes approches permettant de rendre le SiN inhibiteur à la croissance d’oxydes déposés par ALD (Atomic Layer Deposition) seront étudiées (traitements plasma, Small Molecular Inhibitor, combinaison des deux, …). Des caractérisations de surface spécifiques seront réalisées afin de mieux comprendre les mécanismes d'inhibition à l'origine du dépôt sélectif et permettant d'atteindre une sélectivité élevée pour des épaisseurs d'oxyde de 10 nm et plus.
Cette thèse se déroulera au CEA-LETI, dans le service de dépôt de matériaux avancés, en collaboration avec le LMI UMR 5615 CNRS/UCBLyon. L’étudiant aura accès aux plateformes de réalisation en salle blanche 300 mm pour les dépôts de couches minces par PEALD, à la plateforme de nanocaractérisation et à la fonctionnalisation de surface en phase gazeuse au LMI. Des analyses de surface et caractérisations des couches minces (ellipsométrie, XRR, AFM, FTIR, angle de goutte, SEM, XPS, Tof-SIMS) seront utilisées pour déterminer la meilleure sélectivité et comprendre les mécanismes physico-chimiques.
Développement du module de grille pour transistors de puissance verticaux en GaN
Ce sujet de thèse offre une opportunité unique d'améliorer vos compétences en dispositifs de puissance GaN et de développer des architectures innovantes. Vous travaillerez aux côtés d'une équipe multidisciplinaire spécialisée dans l'ingénierie des matériaux, la caractérisation, la simulation de dispositifs et les mesures électriques.
Les composants de puissance GaN verticaux sont très prometteurs pour les applications de puissance au-delà de la plage du kV. Des transistors avec une architecture 'trench MOSFET' ont été démontrés dans l'état de l'art avec des résultats encourageants. L'empilement de grille de ces dispositifs est un élément clés car il impacte directement leur résistance à l'état passant, la tension de seuil et le signal de commande à appliquer dans un convertisseur de puissance. L'étude proposée se concentrera sur le développement d'empilements de grille innovants capables de supporter des tensions élevées tout en maintenant une tension de seuil et une mobilité de canal à l'état de l'art avec un minimum de piégeage diélectrique. Le travail impliquera l'étude de l'impact des paramètres de procédés de fabrication sur les caractéristiques électriques. Une attention particulière sera à accorder à l'optimisation de la géométrie de la grille par des simulations TCAD pour étudier l'impact sur l'état passant et le claquage. Les améliorations identifiées seront intégrées aux dispositifs fabriqués sur notre ligne de composants de puissance GaN 200mm. Le travail se déroulera au sein du laboratoire des composants de puissance et sera soutenu par plusieurs projets en cours.
Etude des modes et des mécanismes de défaillances des commutateurs RF à base de matériaux à changement de phase
Les commutateurs à base de matériaux à changement de phase (Phase Change Material, PCM) démontrent d'excellente performances RF (FOM <10fs) et peuvent être cointégrés dans le BEOL des filières CMOS. Leur fiabilité reste cependant très peu étudiée aujourd'hui. Des modes de défaillances tels qu'une rupture du heater, la ségrégation ou l'apparition de cavités dans le matériau sont montrés lors de tests d'endurance, mais les mécanismes d'apparition de ces défaillances ne sont pas discutés. L'objectif de cette thèse sera donc d'étudier les modes et les mécanismes de défaillances pour différentes conditions opératoires (endurance, maintien, puissance). L'analyse se fera au travers de caractérisations électriques et physiques et des méthodes de vieillissement accéléré seront mise en œuvre.
Conception et caractérisation d’une PLL en technologie FD-SOI 28 nm
L’objectif de cette thèse est la conception d’une boucle à verrouillage de phase pour une utilisation générique à 5 GHz. Cette boucle à verrouillage de phase devra également être accompagnée d’une étude de la sensibilité des différents blocs aux effets radiatifs et thermiques du milieu spatial. Il s’agit là du point central de la thèse car une intégration d’une boucle à verrouillage de phase utilisée dans un environnement sévère nécessite une connaissance fine du comportement des paramètres du circuit. Le candidat commencera par analyser les travaux sur la technologie FD-SOI (caractéristique de la structure et impact sur la tenue radiative) pour se les approprier et proposer une architecture de boucle à verrouillage de phase. Il étudiera également de quelle façon caractériser les dérives des performances de chacun des blocs constituant la PLL (boucle à verrouillage de phase) en milieu sévère (radiatif et température).
Silicium supraconducteur et détection pour l'observation astrophysique en infrarouge lointain
Les technologies silicium occupent aujourd’hui une place centrale dans le domaine du numérique, tant pour la fabrication de composants semiconducteurs que pour la réalisation de capteurs avancés. En 2006, la découverte de la supraconductivité dans le silicium fortement dopé au bore et activé par recuit laser a ouvert un nouveau champ de recherche. Depuis, plusieurs laboratoires, dont le CEA, explorent ses propriétés électroniques et ses potentialités. Ce matériau émergent présente en effet des caractéristiques particulièrement attractives pour des applications opérant à des températures cryogéniques sub-Kelvin, notamment dans les domaines de l’électronique quantique et des détecteurs ultra-sensibles utilisés en physique fondamentale et en astrophysique.
Malgré ces avancées, la compréhension du silicium supraconducteur fortement dopé en Bore reste encore limitée, en particulier concernant ses propriétés thermiques, mécaniques et optiques à l’échelle micronique. La thèse proposée vise à combler ces lacunes en combinant modélisation, conception, fabrication technologique et caractérisation cryogénique de dispositifs prototypes, dans le cadre d’une collaboration étroite entre le CEA-Léti et le CEA-Irfu. L’objectif principal sera de développer une nouvelle génération de détecteurs fondés sur ce matériau supraconducteur et d’en démontrer la pertinence pour la détection du rayonnement électromagnétique dans les gammes térahertz et infrarouge lointain.