Approche intégrée matériau–procédé–dispositif pour la conception de transistors RF haute performance sur technologies nanométriques avancées
Cette thèse vise à développer et optimiser des technologies de dispositifs semi-conducteurs avancés pour applications radiofréquences, en s’appuyant sur la filière FD-SOI et en explorant les architectures tridimensionnelles émergentes telles que les transistors GAA et CFET. L’objectif scientifique principal est d’améliorer les performances RF essentielles — telles que fT, fmax, la linéarité ou le bruit — par une co-optimisation conjointe des matériaux, des procédés technologiques et de la conception des dispositifs.
Le projet s’appuiera sur une approche intégrée combinant développement expérimental, analyses structurales, caractérisations électriques et simulations TCAD avancées. Cette méthodologie permettra d’identifier les mécanismes limitants propres à chaque type d’intégration, de quantifier leur potentiel respectif et d’établir un lien direct entre les choix matériaux/processus et les performances RF mesurées. Une attention particulière sera portée à l’ingénierie fine des architectures de transistors, incluant notamment l’optimisation des spacers, des matériaux de grille, du positionnement des jonctions ainsi que des facettes épitaxiées source/drain. La co-conception procédé/dispositif visera à réduire les résistances d’accès, les capacités parasites et les effets de non-linéarité susceptibles de dégrader les performances haute fréquence.
À travers une modélisation comparative des filières planaires FD-SOI et des intégrations tridimensionnelles GAA/CFET, la thèse cherchera à dégager des orientations technologiques pertinentes pour les futures générations de transistors RF. Situé à l’interface entre science des matériaux, physique des dispositifs et ingénierie de fabrication, ce travail ambitionne de fournir des recommandations pour le développement de technologies RF haute efficacité destinées aux communications 5G/6G, aux radars automobiles et aux systèmes IoT basse consommation.
Modélisation d'éclateurs et de composants de protection du réseau énergie
Le CEA Gramat est le centre d’expertise du CEA DAM (Direction des Applications Militaires) dans le domaine de l’électromagnétisme. Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité de matériels soumis à des agressions électromagnétiques diverses. De nos jours, les infrastructures critiques (médicales, financières, industrielles) sont dépendantes des systèmes électroniques pour fonctionner.
Avec l’expansion des sources électromagnétiques (EM) impulsionnelles, une réelle menace d’attaque EM est crédible et peut induire sur les systèmes électroniques des perturbations allant jusqu'à la destruction. Dans ce cadre, les systèmes critiques connectés au réseau énergie doivent être protégés face à ce type d'agression.
La modélisation de ces éléments de protection est donc un enjeu majeur afin de les dimensionner vis-à-vis de l'agression considérée et de l'équipement à protéger.
Corrélation entre la vulnérabilité des systèmes champ proche et champ lointain
Le CEA Gramat est le centre expert des effets des armes, notamment les armes électromagnétiques du CEA DAM (Direction des Applications Militaires). Il réalise à ce titre des études de vulnérabilité et de susceptibilité de systèmes soumis à des agressions électromagnétiques diverses. Durant ces dernières décennies l’intégration de l’électronique a permis de faire émerger des systèmes compacts et complexes possédant une forte capacité de calcul. L’explosion du nombre de capteurs et de composants dans les équipements électroniques rend la compréhension des mécanismes de vulnérabilité fastidieuse.
Afin de réaliser les études de vulnérabilité, le centre de Gramat dispose de nombreux moyens d’essai qui ne cessent d’évoluer. La mise en œuvre de nouveaux bancs de test et d’une nouvelle méthodologie d’analyse de susceptibilité est nécessaire pour compléter notre expertise face à ces systèmes de plus en plus complexes.
Croissance et caractérisation de l’AlScN : un nouveau matériau prometteur pour les dispositifs piézoélectriques et ferroélectriques
Les semi-conducteurs III-nitrures — GaN, AlN et InN — ont révolutionné le marché de l’éclairage et pénètrent rapidement le secteur de l’électronique de puissance. Actuellement, de nouveaux composés nitrures sont explorés dans la recherche de nouvelles fonctionnalités. Dans ce contexte, le nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) s’est imposé comme un nouveau membre particulièrement prometteur de la famille des nitrures. L’incorporation de scandium dans l’AlN conduit à :
* Des constantes piézoélectriques accrues : ce qui rend l’AlScN très attractif pour la fabrication de générateurs piézoélectriques et de filtres SAW/BAW à haute fréquence.
* Une polarisation spontanée augmentée : cette polarisation renforcée peut être exploitée dans la conception de transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) présentant une densité de charge très élevée dans le canal.
* La ferroélectricité : la découverte récente (2019) de propriétés ferroélectriques ouvre la voie au développement de nouvelles mémoires non volatiles.
Au cours des cinq dernières années, l’AlScN est devenu un sujet majeur de recherche, présentant de nombreuses questions ouvertes et de passionnantes perspectives à explorer.
Cette thèse de doctorat portera sur l’étude de la croissance et des propriétés de l’AlScN et du GaScN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Le doctorant sera formé à l’utilisation d’un système MBE pour la synthèse des semi-conducteurs III-nitrures ainsi qu’à la caractérisation structurale des matériaux par microscopie à force atomique (AFM) et diffraction des rayons X (XRD). La variation des propriétés de polarisation du matériau sera étudiée par l’analyse de la photoluminescence de structures à puits quantiques. Enfin, le doctorant sera formé à l’utilisation de logiciels de simulation pour modéliser la structure électronique des échantillons, afin de faciliter l’interprétation des résultats optiques.
Développement et caractérisation de matrices de sources TeraHertz cointégrées en technologie photonique Silicium et III-V
La gamme TéraHertz (0.1–10 THz) suscite un fort intérêt pour l’imagerie et la spectroscopie (sécurité, santé, environnement, contrôle industriel) du fait de la transparence de nombreux matériaux en THz et des signatures spectrales caractéristiques. Cependant, les sources actuelles peinent à concilier puissance et accordabilité : les diodes et lasers à cascade quantique (QCL) délivrent plusieurs mW mais sur une bande étroite, tandis que les photodiodes III–V (photomixeurs) sont accordables sur de larges bandes mais limitées à quelques µW. Ce sujet de thèse vise à surmonter ces verrous en développant une matrice intégrée de sources THz. Le principe retenu est le photomélange de deux lasers à 1.55 µm dans des photodiodes InGaAs III–V, générant un courant THz modulé en phase et injecté dans des antennes adaptées.
La thèse débutera par l’étude expérimentale d’un réseau discret de 16 antennes THz (projet STYX) CEA-CTReg/DNAQ : installation du banc d’essai, mesures de cohérence de phase, de couplage optique, de lobes de rayonnement et d’interférences constructives. Ces expérimentations fourniront un socle scientifique pour la suite, à savoir la conception d’un réseau photonique intégré sur silicium. L’étudiant simulera l’architecture photonique (coupleurs, guides, modulateurs de phase, transitions Si/III–V) synchronisant plusieurs photodiodes InGaAs. Le prototypage comprendra la fabrication des circuits photoniques silicium (CEA-LETI) et des photodiodes/antennes THz en InP (III-V Lab ou, à confirmer, Heinrich-Hertz-Institut du Fraunhofer—HHI), suivie de leur intégration hybride (collage, alignement).
Cette thèse s’appuiera également sur une collaboration étroite avec le laboratoire IMS (Talence), reconnu au niveau national et international pour son expertise en photonique intégrée et en systèmes THz, apportant ainsi une complémentarité essentielle en modélisation optique, simulation électromagnétique et caractérisation expérimentale.
L’objectif final de cette thèse consistera à réaliser un prototype à quelques émetteurs (e.g. 4–16) dont la directivité et la puissance rayonnée sont accrues par les interférences constructives. La démonstration expérimentale validera le gain en portée et pénétration du rayonnement THz grâce à la combinaison puissance/accordabilité, ouvrant la voie à des systèmes d’imagerie THz de nouvelle génération.
PCB instrumenté pour la maintenance prédictive
La fabrication des équipements électroniques et plus particulièrement celui des PCB (Printed Circuit Board) occupent une part importante de l’impact environnemental du numérique qui doit être minimisé. Dans une logique d’économie circulaire, le développement d’outils de suivi et de diagnostic de l’état de santé de ces cartes pourrait alimenter le passeport numérique du produit et faciliter leur réutilisation dans une seconde vie et. Dans une logique de maintenance préventive et prescriptive, ces outils pourraient augmenter leur durée de vie en évitant un remplacement périodique inutile dans les applications pour lesquelles la fiabilité est une priorité ainsi que d’adapter leur usage dans le but d’éviter leur détérioration prématurée.
Cette thèse propose d’explorer l’instrumentation innovante de PCB à l’aide de capteurs ‘virtuels’, estimateurs avancés alimentés par des modalités de mesure (de type piézoélectriques, ultrasonores, etc.) qui pourraient être intégrées au sein même des PCB. L’objectif est de développer des méthodes de suivi de l’état de santé des cartes, tant sur le plan mécanique (fatigue, contraintes, déformations) qu’électronique.
Une première étape consistera à réaliser un état de l’art et des simulations pour sélectionner les capteurs pertinents, définir les grandeurs à mesurer et optimiser leur implantation. La modélisation multi-physique et la réduction de modèles permettront ensuite de relier les données à des indicateurs d’intégrité du PCB caractérisant son état de santé. La démarche combinera modélisations numériques, validations expérimentales et méthodes d’optimisation multiparamétriques.
Sondage de circuits intégrés par faisceau électronique
La sécurité des systèmes numériques repose sur l’établissement de chaînes de confiance cryptographiques allant du matériel jusqu’aux applications finales. Les circuits intégrés sont à la base des chaines de confiances et stockent pour cela des secrets qui, via différentes contremesures, sont supposés non modifiables et non observables.
L’une des menaces connues dans la littérature est l’utilisation de Microscopes Électronique à Balayage (MEB) pour l’extraction de signaux sensibles. En effet, le MEB, via le phénomène de contrastes de potentiel permet de déterminer « visuellement » la valeur d’un ou plusieurs signaux présents dans une zone du circuit, cette zone pouvant être un niveau de métal ou un transistor. Cette utilisation du MEB sur la face avant des circuits est connue et mise en œuvre depuis les années 90 dans le domaine d’analyse de défaillance. Cependant cette technique est devenue inapplicable avec les progrès des technologies, notamment la finesse de gravure et l’augmentation du nombre de couche de métaux. Des travaux récents (2023) ont montré que le sondage avec MEB était possible via la face arrière du circuit, en observant les transistors via le substrat de silicium. Ces travaux ont été effectués sur des technologies assez anciennes (135 µm). Il est aujourd’hui essentiel de déterminer si ces menaces sont avérées sur les technologies récentes (Bulk, FD-SOI, FinFET), car les futures chaînes de confiance pourraient être compromise.
Un premier défi de la thèse est de fiabiliser le processus de préparation d’échantillon permettant l’accès aux parties actives des transistors via la face arrière tout en gardant le système fonctionnel. Un second défi sera de caractériser les phénomènes de contraste de potentiels et d’observations via l’instrumentation de MEB en vue d’extraire des secrets. Une fois la technique maitrisée nous chercherons à comparer l’effet de la technologie sur cette famille d’attaque et en particulier déterminer les potentiels avantages intrinsèques de la technologie FD-SOI en vue de s’en prémunir.
Inférence neuronale bayésienne à partir de transistors ferroélectriques à mémoire
De nombreux systèmes critiques pour la sécurité intègrent désormais des fonctions d’intelligence artificielle devant opérer avec une consommation énergétique minimale et sous fortes incertitudes, notamment en contexte de données limitées. Or, les approches déterministes classiques de l’IA ne fournissent qu’une estimation ponctuelle des prédictions, sans quantification rigoureuse de la confiance, ce qui limite leur fiabilité en conditions réelles.
Cette thèse s’inscrit dans le domaine émergent de l’électronique bayésienne, où l’objectif est d’implémenter l’inférence probabiliste directement au niveau matériel, en exploitant la variabilité intrinsèque de nanodispositifs pour représenter et manipuler des distributions de probabilité. Si des mémristors ont déjà été utilisés pour réaliser des opérations d’inférence bayésienne, leurs contraintes en endurance et en énergie de programmation constituent un verrou majeur pour l’apprentissage embarqué.
L’objectif de cette thèse est d’explorer l’utilisation de transistors ferroélectriques à effet de champ (FeMFETs) comme briques élémentaires de réseaux de neurones bayésiens sur puce. Il s’agira de caractériser et modéliser l’aléa ferroélectrique exploitable pour l’échantillonnage et la mise à jour probabiliste, de développer des architectures de neurones et synapses bayésiens basées sur ces dispositifs, puis d’évaluer expérimentalement et au niveau système leur robustesse, leur efficacité énergétique et leur pertinence pour des applications critiques.
Caractérisation et optimisation de HBT III-V sur Silicium pour applications 6G et datacom
Face à l'explosion de la demande en contenu numérique, les systèmes 6G sont confrontés à des défis majeurs, notamment le développement d'amplificateurs de puissance pour les fréquences sub-THz. Ces fréquences promettent des débits de données ultra-rapides, mais repoussent les limites des technologies silicium actuelles. Dans les datacenters IA, la communication optique entre les GPU est indispensable pour réduire la consommation énergétique totale, par rapport au câblage filaire classique. Des dispositifs à très haute vitesse sont alors nécessaires pour les circuits de commande électriques des photodétecteurs et des lasers. Les transistors bipolaires à hétérojonction (HBT) à base d'InP sur de grands substrats de silicium offrent une solution prometteuse, alliant performances à haute vitesse et pertes système minimales. Cette technologie présente toutefois le défi d'intégrer les couches III-V aux procédés compatibles CMOS, tout en ouvrant la voie à de nouvelles architectures de dispositifs prometteuses, permettant à la fois la réduction des éléments parasites et la gestion de l'auto-échauffement.
Ce programme doctoral vise à orienter les développements du Leti sur les HBT III-V sur silicium afin d'optimiser l'architecture du dispositif et d'améliorer ses performances RF. Dans ce programme, l'étudiant aura la charge de :
- Réaliser la caractérisation électrique de différentes géométries de dispositifs et de diverses architectures technologiques par des mesures DC et RF telles que les caractéristiques courant-tension (I-V), l'analyse thermique, les paramètres S et éventuellement Load-Pull.
- Simuler les principaux effets parasites et de nouvelles architectures de dispositifs afin d'en comprendre les limitations.
- Collaborer étroitement avec les ingénieurs procédés pour relier les résultats électriques aux choix de fabrication et optimiser les dispositifs.