Résonateurs acoustiques exploitant des modes isolés topologiquement
Les références de temps sont des fonctions critiques pour les systèmes électroniques. Elles permettent en effet la synchronisation des signaux, que ce soit à l'échelle d'une puce ou lors de transfert de données sans fil. Ces références de temps sont basées sur des oscillateurs délivrant une fréquence la plus stable possible. La référence en la matière restent les résonateurs à quartz, qui sont néanmoins volumineux et ne peuvent donc pas être intégrés dans une puce. La recherche cherche donc à l'heure actuelle toujours à miniaturiser des résonateurs capables de fournir des coefficients de qualité élevés (> 10,000), idéalement à des fréquences de plusieurs GHz. Une des contraintes est d'être capable de confiner les vibrations dans des structures microniques afin de les rendre insensibles aux perturbations extérieures. Récemment est apparu le domaine de l'acoustique topologique, qui a permis de démontrer que des ondes élastiques pouvaient être confinées dans de très petits volumes, à l'interface entre des structures périodiques, et que des coefficients de qualité très élevés ont pu être atteints.
Cette thèse porte sur l'exploitation de modes ainsi protégés topologiquement dans des microstructures piézoélectriques, en vue de démontrer de nouveaux types de résonateurs possédant des coefficients de qualité élevés, pouvant trouver des applications aussi bien dans des oscillateurs que dans des systèmes de capteurs ou dans des circuits de filtres. Le candidat pourra tirer parti du savoir faire du CEA Leti dans la conception et la fabrication de résonateurs piézoélectriques. La thèse s'inscrit dans le contexte d'une collaboration internationale avec des laboratoires académiques renommés dans le sujet (Politecnico di Milano, Imperial College, Institut FEMTO-ST), ainsi qu'avec des partenaires industriels.
Le candidat s'intéressera à la modélisation et à la conception de structures dans lesquelles des modes isolés topologiquement peuvent exister, en combinant des modélisations par éléments finis et des modèles numériques approchés, mais plus simples à exploiter systématiquement. Il sera en charge de fabriquer des démonstrateurs, en lien avec les plateformes technologiques du CEA-Leti et des équipes dédiés à l'intégration et à la fabrication. Enfin, il assurera le test et l'évaluation des objets réalisés.
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.
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.
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.
Réinventer les micros haut parleurs : des limites planaires aux géométries 3D pour des haut parleurs à modulation ultrasonore
Vous recherchez un doctorat à la croisée de l'acoustique, des microsystèmes et de l'innovation ? Ce projet est peut-être fait pour vous. Ce doctorat porte sur la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'un concept innovant de microhaut-parleur MEMS basé sur la démodulation ultrasonique. Les microtransducteurs conventionnels sont confrontés à une limitation majeure : ils nécessitent de grandes surfaces planes pour déplacer suffisamment d'air à basse fréquence, ce qui entraîne une augmentation de leur taille et donc des coûts de fabrication. Ce projet explore une architecture alternative utilisant des structures à lames verticales, exploitant la troisième dimension ainsi que la démodulation ultrasonique pour améliorer l'efficacité électroacoustique tout en réduisant l'encombrement de l'appareil.
S'appuyant sur des travaux exploratoires préliminaires, l'objectif du doctorat est de développer un démonstrateur complet de haut-parleur MEMS. Les travaux comprendront la modélisation physique, la simulation multiphysique, l'optimisation de la conception des dispositifs, le développement de processus de microfabrication et la caractérisation électroacoustique expérimentale.
Le candidat concevra et simulera l'architecture du dispositif et contribuera à la définition du procédé de fabrication en étroite collaboration avec des spécialistes en microfabrication. Les travaux de doctorat comprendront également la caractérisation acoustique et électrique des dispositifs fabriqués afin de valider les concepts proposés et de comparer les résultats expérimentaux avec les prévisions de modélisation. Le doctorat se déroulera dans un environnement multidisciplinaire, donnant accès à une expertise en acoustique, en conception MEMS, en microfabrication et en mesure électroacoustique.
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.
Etude et conception d'un LNA robuste face à une agression électromagnétique
Le CEA Gramat est le centre expert des effets des armes, notamment les armes électromagnétiques. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité et de susceptibilité de systèmes soumis à des agressions électromagnétiques (EM) intentionnelles diverses.
L’amplificateur faible bruit (Low Noise Amplifier - LNA) constitue généralement le premier composant actif de l’étage d’entrée d’une chaîne de réception RF. Afin de limiter le risque de défaillance des LNA, il est essentiel d'avoir une bonne connaissance des effets des agressions EM sur un LNA, et d’identifier de potentielles architectures plus robustes.
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.
Systèmes de maintenance prédictive basés sur l’acoustique et les ultrasons pour les équipements industriels
Les convertisseurs de puissance sont essentiels dans de nombreuses applications telles que l’industrie, les systèmes photovoltaïques, les véhicules électriques et les centres de données. Leur maintenance conventionnelle est souvent basée sur des calendriers fixes, entraînant un remplacement prématuré des composants et une quantité importante de déchets électroniques.
Ce projet de doctorat vise à développer une nouvelle approche de surveillance non invasive et à faible coût, basée sur les ultrasons, afin d’évaluer l’état de santé et la durée de vie résiduelle (RUL) des convertisseurs de puissance déployés dans divers secteurs industriels.
La recherche se concentrera sur l’identification et la caractérisation des signatures ultrasonores émises par des composants électroniques vieillissants, ainsi que sur le développement de réseaux de neurones guidés par la physique (PINNs) pour modéliser leurs mécanismes de dégradation. Le projet combinera des études expérimentales avec des techniques avancées de traitement du signal et d’intelligence artificielle (compressed sensing), dans le but de détecter les premiers signes de défaillance et de permettre des stratégies de maintenance prédictive exécutées localement (edge deployment).
Les travaux de recherche seront menés dans le cadre d’un réseau doctoral Marie Sklodowska-Curie Actions (MSCA), offrant une formation internationale, une collaboration interdisciplinaire et des périodes de mobilité auprès de partenaires académiques et industriels de premier plan en Europe (Italie et Pays-Bas pour cette offre de doctorat).