Physique des interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN pour l'électronique de puissance

L’aviation commerciale est responsable pour 2,5% des émissions mondiales de CO2 (1bT). Une vraie perspective propre à long-terme pour éliminer une partie significative des émissions de CO2 devra être électrique. Une solution viable pourrait être l’avion hybride dans lequel les turbines à gaz seraient utilisés pour le décollage et l’atterrissage tandis que la croisière en vol serait alimentée électriquement. Une telle solution requiert des composants à haute tension. La recherche fondamentale est nécessaire pour optimiser des matériaux à intégrer dans les composants électroniques capables à supporter de telles puissances.

L’idée originale du projet Ferro4Power est d’étendre la gamme d’applications de dispositifs à base de Ga2O3 et GaN en introduisant une couche ferroélectrique d’AlBN à haute tension de claquage, compatible avec une électronique de puissance, dans l’empilement des dispositifs. La polarisation du ferroélectrique crée un champ électrique qui va moduler les bandes de conduction et de valence du Ga2O3 et GaN et ainsi les caractéristiques des dispositifs tels que les diodes de Schottky, des transistors en déplétion et des HEMTs à haute fréquence. Notre hypothèse est de contrôler les bandes électroniques de Ga2O3 et de GaN par la couche adjacente de AlBN.

Nous explorerons la chimie et la structure électronique de interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN, ciblant les phénomènes clés d’écrantage de la polarisation, piégeage/dépiégeage de charge et les champs internes. Le projet emploiera des techniques avancées de la spectroscopie de photoélectrons telles que la photoémission à rayons X durs stimulée par le rayonnement synchrotron, la microscopie d’électrons en photoémission et de l’analyse structurelle complémentaire comme la microscopie électronique à haute résolution, la diffraction des rayons X et la microscopie en champ proche.

Les résultats devraient intéresser aussi bien des physiciens étudiant des aspects fondamentaux de la fonctionnalité des hétérostructures artificielles que des ingénieurs travaillant dans les applications R et D de l’électronique de puissance.

Vers un contact de base haute performance pour le transistor HBT InP pour l’application 6G

Rejoignez le CEA LETI pour un voyage technologique passionnant ! Plongez dans le monde des transistors à base de III V
intégrés sur des circuits CMOS compatibles pour les communications 6 G du futur. Cette thèse offre l'opportunité de travailler sur un projet ambitieux,si vous êtes curieux, innovant et avide de défis, cette opportunité est parfaite pour vous !

Alors que la consommation de contenu numérique continue de croître, les systèmes de communication 6 G devront trouver plus de capacité pour supporter l'augmentation du trafic. Les nouveaux systèmes basés sur des fréquences inférieures à THZ offrent une énorme possibilité d'augmenter le débit de données, mais ils sont très difficiles à construire et à mettre au point. La construction et la maturation de l'amplificateur de puissance nécessaire à la transmission d'un signal constituent un défi de taille.

L'amplificateur de puissance nécessaire pour transmettre un signal devra offrir une puissance et une efficacité énergétique suffisantes, ce qui n'est pas possible avec la technologie actuelle sur silicium. Les HBT (transistors bipolaires à hétérojonction) à base d'InP développés sur des plateformes silicium ont l'avantage de pouvoir être utilisés dans les systèmes à base de silicium sur ded substrats silicium de grande taille ont le potentiel de répondre aux exigences et d'être intégrés aussi près que possible de la technologie CMOS afin de minimiser les pertes de système/interconnexion.

Les semi-conducteurs à base de Sb pour les transistors HBT GaAsSb apparaissent comme des matériaux très prometteurs,
pour ses propriétés électriques afin d'intégrer la couche de base du transistor Il est donc nécessaire de produire des contacts électriques de haute performance sur ce type de semi-conducteur, tout en restant compatible avec la fabrication de la couche de base du transistor, tout en restant compatible avec les processus de fabrication des plates-formes technologiques Si Fab et les plates-formes technologiques Si Fab

Cette thèse vous permettra d'acquérir un large éventail de connaissances, de bénéficier de l'environnement technologique riche de la salle blanche de 300 et 200 mm et de la caractérisation nanométrique. Vous collaborerez avec des équipes pluridisciplinaires pour développer une compréhension approfondie des contacts ohmiques et analyser les mesures effectuées.
Plusieurs aspects du couple métal-semi-conducteur, Ni ou Ti sur p GaAs), ou Ni ou Ti p GaAsSb seront étudiés:

-Identifier les solutions humides et plasma permettant l'élimination de l'oxyde natif GaAsSb sans endommager la surface.

-Caractériser le niveau de dopage de l'épitaxie GaAs et GaAsSb (effet Hall, SIMS, TEM).
-Comprendre la séquence de phases pendant le recuit entre le semi-conducteur et le métal avec XRD et Tof SIMS.
Gérer la formation des alliages intermétalliques pour ne pas détériorer l'interface de contact (observations TEM).
-Évaluer les propriétés électriques du contact à l'aide de structures TLM, de la résistivité spécifique du contact, la résistance de couche du semi-conducteur et de la longueur de transfert. L'étudiant sera une force motrice pour effectuer des tests électriques sur les équipements de mesure.

Réseaux de neurones bayésiens avec transistors à effet de champ à mémoire ferroélectrique (FeMFETs)

De plus en plus de systèmes critiques pour la sécurité reposent sur des fonctions d’intelligence artificielle (IA) qui exigent des capacités de calcul robustes et économe en énergie, souvent dans des environnements marqués par une rareté des données et une forte incertitude. Cependant, les approches traditionnelles de l’IA peinent à quantifier la confiance associée à leurs prédictions, ce qui les rend vulnérables à des décisions peu fiables, voire dangereuses.
Cette thèse s’inscrit dans le domaine émergent de l’électronique bayésienne, qui exploite l’aléa intrinsèque de nanodispositifs innovants pour effectuer des calculs bayésiens directement au niveau du matériel. En encodant les distributions de probabilité au sein même du hardware, ces dispositifs permettent une estimation naturelle de l’incertitude, tout en réduisant la complexité computationnelle par rapport aux architectures déterministes classiques.
Des travaux antérieurs ont déjà démontré le potentiel des memristors pour l’inférence bayésienne. Cependant, leur endurance limitée et leur consommation énergétique élevée lors de la programmation représentent des obstacles majeurs à l’apprentissage embarqué sur puce.
Dans cette thèse, il est proposé d’exploiter des composants mémoires emergents ferroelectric memory field-effect transistors (FeMFETs) pour l’implémentation de réseau de neurones bayésiens.

Transistor à effet de champ à canal oxyde semi-conducteur: fonctions synaptiques multi-niveaux et neurones analogiques

Cette thèse passionnante vous invite à plonger au cœur d’un domaine révolutionnaire : les neurones et synapses basés sur des transistors 2T0C (Deux Transistors, Zéro Condensateur) de type BEOL FET (Back-End-Of-Line Field Effect Transistor), une approche innovante qui pourrait transformer l’informatique neuromorphique.
En tant que doctorant, vous serez à l’avant-garde de la recherche, à l’interface entre technologies avancées des semi-conducteurs et architectures inspirées du cerveau. Vous explorerez comment ces circuits neuronaux innovants peuvent reproduire les fonctions synaptiques et améliorer l’efficacité du traitement de l’information.

Tout au long de ce projet, vous serez impliqué dans la conception et la caractérisation expérimentale de circuits neuronaux 2T0C de dernière génération, en utilisant des outils et techniques à la pointe de la technologie.
Vous collaborerez avec une équipe dynamique et pluridisciplinaire d’ingénieurs et de chercheurs, pour relever des défis passionnants liés aux performances des dispositifs et à l’optimisation énergétique.

Votre travail inclura une caractérisation approfondie des dispositifs et circuits BEOL FET. Vous aurez l’opportunité de proposer, spécifier et concevoir de nouvelles architectures de lecture mémoire, permettant d’explorer des comportements synaptiques multi-niveaux en vue de la mise en œuvre de systèmes neuromorphiques de nouvelle génération, plus compacts et plus économes en énergie.

Rejoignez-nous pour cette opportunité unique de repousser les limites de la technologie et de participer à une aventure scientifique capable de redéfinir le futur de l’informatique ! Vos contributions pourraient ouvrir la voie à des avancées majeures dans les systèmes inspirés du cerveau et laisser une empreinte durable dans ce domaine en pleine expansion.

Solutions de refroidissement innovantes pour les systèmes électroniques 2.5D et 3D

Composants de puissance verticaux en GaN réalisés par épitaxie localisée

Cette thèse offre une opportunité unique de perfectionner vos compétences dans les dispositifs de puissance en GaN et de développer des architectures de pointe. Vous travaillerez aux côtés d'une équipe multidisciplinaire spécialisée en ingénierie des matériaux, caractérisation, simulation de dispositifs et mesures électriques. Si vous êtes enthousiaste à l'idée d'innover, d'approfondir vos connaissances et de relever des défis à la pointe de la technologie, ce poste constitue un atout précieux pour votre carrière !
Les composants de puissance verticaux en GaN présentent un fort potentiel pour des applications de puissance au-delà de la gamme du kV. L'épitaxie localisée de GaN permet la création de structures épaisses sur des substrats en silicium à un coût compétitif, avec un succès démontré sur des diodes et des transistors pseudo-verticaux. Cependant, la surface significative de cette approche limite la densité énergétique des dispositifs. Cette thèse vise à développer des composants entièrement verticaux, plus denses, en utilisant des méthodes de transfert de couches. Vous étudierez les caractéristiques électriques de ces composants pour observer l'impact des variations technologiques sur leurs performances.
Au cours de ce doctorat, vous acquerrez des connaissances approfondies sur les procédés de microélectronique, la caractérisation électrique et la simulation TCAD (Conception Assistée par Ordinateur). Vous collaborerez avec une équipe multidisciplinaire, incluant notre partenaire CNRS-LTM, et approfondirez votre compréhension des dispositifs de puissance en GaN, tout en faisant partie d'un laboratoire dédié au développement de dispositifs de puissance à large bande interdite. Vous aurez également l'opportunité de rédiger des publications et des brevets.

Simulation et caractérisation de structures intégrées pendant et après l'étape de recuit laser millisecond

Les procédés de recuit laser sont aujourd'hui utilisés dans un large spectre d'applications au sein des technologies microélectroniques les plus avancées. Que ce soit dans le contexte des composants CMOS planaires avancés ou des technologies d'intégration 3D, les caractéristiques spécifiques du recuit laser permettent d'atteindre des températures très élevées en des temps très courts, à l'échelle de la puce, et de travailler dans des conditions hors d'équilibre thermodynamique. Cela présente de nombreux avantages en terme d'effets physiques (activation de dopants élevés avec de faibles diffusions, transformation de siliciures, etc.), mais aussi de budget thermique (des températures élevées qui restent en surface du matériau). Cependant, ce type de recuit optique ultracourt peut générer des variations de température dues à des effets de motif à la surface de la puce entre deux zones aux propriétés radiatives et/ou thermiques différentes. Ces différences de température peuvent altérer les performances électriques des composants et doivent donc être évaluées et surmontées. Une partie de ce travail consistera, à l'aide d'une étude bibliographique, à trouver des solutions intégratives (design, couche absorbante, etc.) afin de résoudre ce problème. Par ailleurs, au LETI, une vaste expertise en recuit laser nanoseconde (NLA) est acquise depuis de nombreuses années, et les équipes procédés sont en phase d'acquisition d'un équipement laser milliseconde (DSA). Grâce à la simulation numérique, ces travaux constitueront l'une des briques essentielles du développement du recuit laser milliseconde au LETI, indispensable à la feuille de route des technologies avancées.

Cette recherche interdisciplinaire englobera des domaines tels que la simulation numérique, la science des matériaux et les procédés de fabrication microélectronique. Vous bénéficierez du soutien de laboratoires spécialisés en procédés d'intégration, ainsi que d'environnements de simulation TCAD.

Epitaxie sélective du contact de base d'un transistor HBT-GaAsSb en vue de hautes performances fréquentielles

Avec l’essor des réseaux sans fil et l’arrivée de la 6G, le développement de systèmes de communication plus performants devient essentiel. Les fréquences au-delà de 140 GHz représentent un domaine prometteur, où les technologies actuelles reposent sur des semi-conducteurs avancés, tels que l’InP, offrant des performances supérieures aux solutions SiGe. Toutefois, les composants III-V restent coûteux, fabriqués sur de petits substrats (100 mm pour l’InP) et incompatibles avec les lignes de production silicium, qui garantissent un meilleur rendement industriel.
Dans ce contexte, le CEA-LETI, en collaboration avec le CNRS-LTM, développe une nouvelle filière de transistors HBT dont la couche de base en antimoniures a déjà démontré des performances fréquentielles supérieures au THz. Pour assurer une intégration compatible avec les procédés de fabrication Si-CMOS, une nouvelle approche de contact ohmique doit être mise en place. Cela implique une re-croissance épitaxiale sélective d’un matériau semi-conducteur adapté sur la couche de base du transistor HBT-GaAsSb.
Le doctorant aura pour mission d’identifier le matériau optimal répondant aux critères définis, en s’appuyant sur des expérimentations menées avec l’équipe d’épitaxie, des analyses avancées (ToF-SIMS, HR-TEM, EDX) et des modélisations des structures de bandes des hétérojonctions formées. Ce travail sera complété par la fabrication de structures de test technologiques, permettant d’extraire les paramètres électriques essentiels à l’optimisation des performances DC et RF du transistor HBT.

Vers une technologie piézoélectrique éco-innovante, durable et fiable

Vous recherchez un sujet de thèse à la frontière entre éco-innovation et high-tech… ce sujet est alors pour vous !

L'objectif central de cette thèse est de réduire l'empreinte environnementale de la technologie piézoélectrique (PZE) appliquée aux micro-actionneurs/capteurs, tout en préservant des niveaux optimaux de performances électriques et de fiabilité. Actuellement, la technologie PZE repose sur l'utilisation du plomb, notamment le matériau PZT (Pb(Zr,Ti)O3), ainsi que des électrodes telles que le Pt, Ru, Au, et des éléments dopants comme le La, Mn, Nb pour optimiser les propriétés piézoélectriques et les performances électriques. Ces matériaux, en plus de leur coût écologique significatif, font face à des pénuries avérées ou imminentes.

Dans le contexte de la nécessaire frugalité liée à la transition énergétique, cette thèse se positionne comme une exploration des technologies microsystèmes plus respectueuses de l'environnement et durables. Les travaux de recherche visent à créer un abaque à trois entrées, évaluant l'empreinte écologique, les performances électromécaniques et la fiabilité des technologies existantes (avec plomb) par rapport à celles en cours de développement (sans plomb). Pour atteindre ces objectifs, le doctorant utilisera des Analyses de Cycles de Vie (ACV), des mesures électromécaniques et des essais de fiabilité (tests accélérés de vieillissement).

Cette recherche interdisciplinaire englobera des domaines tels que l'écoconception, la science des matériaux/interfaces et les procédés de fabrication microélectroniques. Le doctorant bénéficiera du soutien des laboratoires de ses encadrants, spécialisés dans les procédés de fabrication/intégration de microsystèmes, ainsi que dans la caractérisation électrique et la fiabilité. La collaboration avec la cellule « éco-innovation » du CEA-Leti enrichira également les ressources disponibles pour la réalisation de ces travaux.

Compréhension et optimisation de la robustesse électrothermique des dispositifs de puissance avançés en SiC

Le carbure de silicium (SiC) est un semi-conducteur aux propriétés intrinsèques supérieures à celles du silicium pour les applications électroniques à haute température et à forte puissance. Il est anticipé que les dispositifs en SiC soient largement utilisés dans la transition vers l'électrification et les nouvelles applications de gestion de l'énergie. Pour exploiter pleinement les propriétés supérieures du SiC, les futurs dispositifs semi-conducteurs seront utilisés dans des conditions de polarisation et de températures extrêmes. Ces dispositifs doivent fonctionner en toute sécurité à des densités de courant, des dV/dt et des températures de jonction plus élevées que les dispositifs en Si.
L'objectif de cette thèse est d'étudier les dispositifs SiC fabriqués au LETI dans ces conditions de fonctionnement extrêmes, et d'optimiser leur conception pour utiliser pleinement le potentiel théorique du SiC. Le travail de thèse comprendra plusieurs phases qui seront fortement couplées :
Un volet caractérisation electro-thermique avancée (50%), en proposant de nouvelles approches de tests sur composants en boitier ou sur support adapté, en utilisant des outils d’intelligence artificielle (IA) pour l’extraction et le traitement des données. La travail inclura une adaptation des méthodologies de mesures standard aux spécificités de commutation du SiC.
Une évaluation (15%) des paramètres de conception et technologiques responsables des limites de fonctionnement des composants
Un volet caractérisation physico-chimique (15%) pour l'analyse des défaillances sous ces conditions extrêmes
Un volet d'inclusion de modèles prédictifs (20%) de sensibilité des architectures aux conditions extrêmes et aux défauts basée sur la modélisation.