Développement de procédés de dépôt/gravure par plasma pour une intégration SADP du nœud FD10
Le développement de nouveaux nœuds technologiques implique à la fois une réduction des dimensions critiques des motifs et une augmentation de leur densité. Depuis des années, le développement de stratégies de patterning multiple avec notamment le recours au Spacer Patterning (aussi noté SADP) s'est intensifié. Cette stratégie repose sur l'utilisation d'un motif sacrificiel sur lequel un matériau est déposé de manière conforme pour ensuite être gravé et ainsi définir des espaceurs qui serviront de masque pour l'obtention de motifs dans la sous-couche après retrait de la couche sacrificielle. Un des principaux défis de cette intégration est le choix des matériaux et leur compatibilité (budget thermique, sélectivité, etc.). Le recours à des matériaux types SiCO(N) peut apporter des alternatives intéressantes aux diélectriques classiques (SiO2, SiN). Un autre enjeu est l’obtention d’une seule population de motifs post-SADP : pour éviter les problèmes de micro-loading, des procédés de gravure plasma contrôlés de manière atomique devront être développés (ex. pulsing, ALE, etc.). L'impact environnemental devra être pris en compte lors du développement de ces procédés.
L'objectif de la thèse est de mettre au point une intégration avec les matériaux SiCO(N), développer ces matériaux et les stratégies de gravure associées.
Pour mener à bien vos recherches, vous profiterez de l’environnement privilégié qu’offre le CEA-Leti permettant d’utiliser des équipements industriels à l’état de l’art technologique à la fois en termes de développement de procédés et en termes de caractérisation des matériaux.
Procédés de gravure séche innovants de matériaux exotiques
Les propriétés avantageuses (electro –optiques, - acoustisques, -mécaniques) de nouveaux matériaux comme l’ALN dopé Sc, le LNO, le LTO ou le KNN les rendent incontournables pour répondre aux besoins d’évolution de l’optique intégrée, les télécommunications (RF) et les microsystèmes. La réalisation de motifs aux dimensions submicroniques avec une vitesse d’attaque suffisante (>100nm/min), un profil de gravure vertical et une rugosité réduite des flancs sont les objectifs majeurs du travail de thèse pour satisfaire les critères de performances des dispositifs ciblés au niveau applicatif.
Etude de matrices de sources TeraHertz cointégrées en technologie photonique Silicium et III-V
Le rayonnement TeraHertz (THz) présente un intérêt croissant pour l’imagerie et la spectroscopie dans divers domaines applicatifs tels que la sécurité, la santé, l'environnement et le contrôle industriel puisque dans cette gamme de fréquence, de nombreux matériaux diélectriques sont transparents et de nombreuses molécules présentent des signatures spectrales uniques pour leur identification. Cependant, les limitations des sources actuelles, nécessaires pour cette imagerie active, entravent son utilisation à longue distance ou à travers de matériaux épais.
Ce sujet de thèse propose de développer une source de puissance THz, largement accordable, sous la forme d'une matrice de sources photoconductrices excitées par photomélange de deux lasers infrarouges. L'objectif est d'intégrer plusieurs dizaines voire centaines de sources sur un seul composant en cointégrant des composants en matériaux III-V sur un substrat photonique sur silicium afin d’offrir une solution innovante aux problèmes de puissance et d’accordabilité.
Ce travail de thèse, partagé entre les sites de Bordeaux et Grenoble, se positionne dans des domaines à fort potentiel industriel, ceux de la photonique intégrée et des technologies d’intégration sur silicium. Il comprend plusieurs étapes, notamment l'étude de l'architecture du système photonique complet à l’aide d’outils de simulation, le choix des structures et des matériaux, le développement technologique sur les plateformes du CEA LETI et la caractérisation des performances. Une démonstration de concept avec un petit nombre de sources est prévue, suivie de la conception d'un système matriciel à grande échelle.
Le projet représente un défi technologique majeur, mais son succès ouvrirait la voie à une amélioration significative de la capacité de pénétration du rayonnement THz et contribuerait également à l’élargissement des domaines d’application du THz.
Transfert de couches minces épitaxiées sur GaAs ou Ge sur un substrat en saphir ou silice pour les applications miroir à onde gravitationelles
Les ondes gravitationnelles ont été prévues par la théorie de la relativité générale, elle sont créés dans l'univers par des événements cosmiques extrêmes. Leur mesure sur terre dans de grands instruments tel que VIRGO en Italie est un chalenge en terme de sensibilité de la mesure. Ces instruments sont des interféromètres de grandes dimensions (plusieurs kilomètres), et toute la chaine optique doit minimiser le bruit pour être sensible à des modification infime de l'espace-temps. Les miroirs sont un des éléments clefs de la chaine optique.
On se propose dans cette thèse de réaliser un nouveau type de miroir permettant d'améliorer notablement la sensibilité d'un interféromètre. Ce miroir repose sur une séquence de couches minces épitaxiées avec des variations d'indice optique entre chacune d'elles. Ces couches minces doivent se trouver sur une base en silice ou en saphir. Une telle structure n'est pas réalisable par fabrication additive (ie par un dépôt des couches sur le substrat en saphir ou en silice), car les couches minces sont monocristallines, et la silice est amorphe quand le saphir à un paramètre de maille inadapté. Seul les techniques de report de couches minces permettent la réalisation d'une telle structure.
Cette thèse va étudier les technologies de report de couches minces pour mettre en œuvre une ou plusieurs options permettant le transfert des couches monocristallines du substrat donneur vers le substrat receveur. Chacune des étapes nécessaires sera étudiée, des mécanismes seront proposés pour expliquer les observations expérimentales. Des démonstrateurs seront réalisés et leurs performances optiques évaluées pour déterminer si elles sont en phase avec les besoins en terme de sensibilité.
Micro-sources laser à Cascade Quantique III-V/Si
Ce projet de thèse se concentre sur le développement de micro-sources lasers novatrices en combinant des matériaux de type III-V à Cascade Quantique avec des Cristaux Photoniques en Silicium. En intégrant ces technologies avancées, nous visons à créer des lasers hybrides émettant dans le moyen infrarouge. Cette approche présente des avantages significatifs pour la spectrométrie moyen-infrarouge (MIR), une technique cruciale pour la détection chimique de composés gazeux, solides et liquides.
Le laboratoire des capteurs optiques du CEA-LETI offre un environnement de recherche de pointe, où le candidat(e) aura l'occasion de concevoir, modéliser, fabriquer et caractériser ces dispositifs. Cette thèse s'inscrit dans un contexte compétitif, mais prometteur, où les avancées technologiques pourraient ouvrir de nouvelles perspectives dans des domaines tels que le "bien-être et l'environnement". Pour les étudiants de Master 2 passionnés par la photonique et les technologies émergentes, cette recherche offre une opportunité de contribuer activement à l'innovation dans un domaine en plein essor.
Etude in situ de l’impact du champ électrique sur les propriétés des matériaux chalcogénures
Les matériaux chalcogénures (PCM, OTS, NL, TE, FESO …) sont à la base des concepts les plus innovants en micro—électronique allant des mémoires PCM aux nouveaux dispositifs neuromorphiques et spinorbitroniques (FESO, SOT-RAM, etc …). Une partie de leur fonctionnement repose sur une physique hors-équilibre induite par l’excitation électronique résultant de l’application d’un champ électrique intense. La thèse vise à mesurer expérimentalement sur des couches minces de chalcogénures les effets induits par le champ électrique intense sur la structure atomique et les propriétés électroniques du matériau avec une résolution temporelle femtoseconde (fs). Les conditions « in-operando » des dispositifs seront reproduites en utilisant une impulsion THz fs permettant de générer des champs électriques de l'ordre de quelques MV/cm. Les modifications induites seront alors sondées via différents méthodes de diagnostique in situ (spectroscopie optique ou diffraction x et/ou ARPES). Les résultats seront comparés à des simulations ab initio suivant une méthode à l’état de l’art développée avec l’Université de Liège. Au final la possibilité de prévoir la réponse des différents alliages chalcogénures aux échelles de temps fs sous champ extrême permettra d’optimiser la composition et les performances des matériaux (effet de switch e-, électromigration des espèces sous champ, etc …) tout en apportant une compréhension des mécanismes fondamentaux sous-jacents liant excitation électronique, évolution des propriétés sous champ et structure atomique de ces alliages.
Epitaxie « à distance » de Cd(Hg)Te
Une nouvelle façon d’envisager l’épitaxie est apparue récemment grâce au développement des matériaux 2D. Alors que l’épitaxie conventionnelle impliquant des liaisons covalentes est limitée notamment à l’accord de paramètre de maille entre le matériau substrat et la membrane épitaxiée, il apparait que cette contrainte peut être significativement relâchée si la croissance épitaxiale se fait par des interactions de van der Waals. Les matériaux 2D sont les candidatés idéaux pour ce type de croissance étant donné que leur surface ne présente pas de liaisons pendantes.
La « remote epitaxy » ou « épitaxie à distance » est une approche novatrice et originale récente qui consiste à couper l’épitaxie covalente classique par insertion d’un feuillet de matériau 2D suffisamment fin pour permettre la transmission du champ cristallin entre le substrat et la couche épitaxiée. Il est alors possible de réduire notablement les contraintes dans les premières couches épitaxiées avec la possibilité de détacher aisément (grâce à l’interface de faible énergie) la membrane épitaxiée de son substrat.
Cette approche a été abordée avec succès dans le cas des matériaux III-V avec un feuillet de graphène intercalé. Nous proposons dans ce sujet de thèse l’étude de la « remote epitaxy » des semiconducteurs II-VI, CdTe et HgCdTe qui sont au cœur de nombreux domaines d’application comme la détection infrarouge et l’imagerie, la détection X et les applications médicales ou bien encore le photovoltaïque.
Plusieurs matériaux 2D seront étudiés ; soit reportés soit directement épitaxiés si possible en surface du substrat. Le graphène sera transféré par voie sèche pour générer des interfaces de la meilleure qualité possible. De façon préférée, le matériau 2D sera directement épitaxié en surface du substrat. Cette étude se fera en collaboration avec l’équipe 2D de SPINTEC.
Etude des mécanismes mis en jeu dans le collage direct de l’InP et de l’AsGa.
Le collage direct consiste en la mise en contact de surfaces suffisamment lisses et propres, afin de créer une adhésion entre elles sans apport de matière extérieure. Cette technologie présente de nombreux intérêts pour la réalisation de structures empilées pour la microélectronique et les micro-technologies et a donné lieu à de nombreuses innovations (fabrication du SOI par SmartCut TM, fabrication du SmartSiC TM, réalisation de MEMS, wafer level packaging, intégration 3D…). Aujourd’hui la montée en puissance des technologies photoniques et le développement du collage direct puce à plaque ouvrent la voie à l’intégration de matériaux comme l’InP et l’AsGa dans le monde du silicium. Afin de pousser ces développements nous souhaitons étudier les mécanismes de collage de ces matériaux qui n’ont pas encore été établis dans la littérature.
La thèse consistera à étudier les mécanismes de collage direct de l’InP et de l’AsGa :
Une première partie de l’étude consistera à caractériser finement la surface de ces matériaux lors des préparations avant collage (type de liaisons créées, type d’oxyde, quantité d’eau adsorbée…).
Puis l’impact de l’eau dans la mise en place de l’adhérence sera tout particulièrement étudié en regard avec les mécanismes établis pour le silicium et son oxyde. La sensibilité à la corrosion sous contrainte des oxydes de surface d’InP et d’AsGa sera évaluée. Des études par spectroscopie infrarouge et réflectivité de rayons-X au synchrotron étayeront les conclusions.
Un dernier axe concernera les propriétés mécaniques de ces matériaux pour mieux comprendre leur intégration au sein d’hétérostructures. Leur transition ductile-fragile sera caractérisée à l’aide de collages sur du silicium ou d’autres substrats (silice, saphir…).
Le candidat sera formé à l’ensemble des outils technologiques de salle blanche permettant la réalisation de collages directs (nettoyages chimiques, polissage CMP, collage, recuits thermiques) et leur caractérisation (spectroscopie infrarouge, microscopie acoustique, mesure d’énergie de collage anhydre, réflectivité des rayons X, spectrométrie de masse...).
Electronique de conditionnement de qubits à base de Single Electron Transistor
Un axe de recherche vise à fournir des solutions d’électroniques cryogéniques totalement intégrées (cryo-CMOS) afin de répondre aux besoins de nombreuses expériences scientifiques (astronomie, physique des particules, physique quantique…). Néanmoins, leur consommation excessive compromet leur utilisation dans les applications nécessitant le conditionnement d’un grand nombre de dispositifs.
Cette thèse se propose d’explorer une voie alternative en mettant en œuvre des Single Electron Transistors (SETs) pour la réalisation d’électroniques de conditionnement très faible bruit et très faible consommation. En effet, les SETs sont des composants au comportement quantifié aux températures cryogéniques qui permettent d’atteindre des optimums en terme de bruit et de consommation. Comme application, cette thèse visera à fournir une électronique de conditionnement de qubits silicium à SETs dans le cadre du développement de l’ordinateur quantique.
Le candidat à cette thèse doit avoir de solides connaissances en physique quantique, en physique des semi-conducteurs, ainsi qu’en électronique analogique et en traitement du signal. Il est attendu du thésard une bonne aptitude à l’innovation et un goût pour l’expérimentation. Enfin, le candidat doit avoir de bonnes connaissances en modélisation et dans les langages informatiques associés (Python).
Étude des matériaux émergents comme sélecteur de commutation pour la technologie MRAM
L'objectif de cette thèse est d'explorer de nouveaux matériaux de sélecteur à commutation de seuil (TSS) pour les technologies émergentes MRAM (Magnetic Random-Access Memory). Un sélecteur est un dispositif simple à deux terminaux, se comportant comme un interrupteur ou une diode qui s'allume au-dessus d'une certaine tension et reste éteint dans le cas contraire. Lorsqu'il est associé à un élément de mémoire, il empêche les courants parasites dans les cellules de mémoire non sélectionnées, ce qui permet d'obtenir des mémoires plus denses. En outre, le TSS vise à remplacer le transistor de sélection et à réduire le nombre de vias à connecter au CMOS, ce qui permet d'économiser de l'énergie et de la surface.
Pour que le TSS soit compatible avec la MRAM, il est essentiel de développer de nouveaux matériaux de sélection qui correspondent aux caractéristiques de la jonction tunnel magnétique (MTJ). Par exemple, le commutateur à seuil d'Ovonic (OTS) utilisé avec la PC-RAM à changement de phase (en production) a une tension de seuil supérieure à 2V. Cette tension est trop élevée pour la MTJ. Cette tension est trop élevée pour les MTJ qui doivent fonctionner en dessous de 1V pour éviter de dégrader la barrière tunnel en MgO.