Les développements du module contact dans le cadre de FAMES mettent en évidences les limites atteintes par les dimensionnels adressés. Pour les nœuds sub 10nm, une approche en rupture est nécessaire pour pallier aux problèmes de sélectivité, auto alignement, capa parasite… Cette thèse se positionne sur le développement de nouveaux matériaux à gradient résolvant ces problèmes.
L’émergence des mémoires ferroélectriques à base de HfO2 a ouvert un nouveau paradigme pour le calcul embarqué à très basse consommation d’énergie. L’oxyde d’hafnium est pleinement compatible avec la technologie CMOS et est intrinsèquement à basse consommation d’énergie, trois ordres de grandeur plus faible que d’autres technologies émergentes de mémoires non-volatile.
Ces avantages s’alignent avec les applications stratégiques dans l’espace, la défense, le médical, la sûreté nucléaire et le transport lourd, où l’électronique doit faire face aux environnements extrêmes d’irradiation.
L’imprint induit un décalage de la réponse polarisation-tension (P-V) sur l’axe du voltage, attribué au piégeage/dépiégeage de charge, épinglement des domaines et aux défauts chargés tels que les lacunes d’oxygène. Tous ces phénomènes peuvent être accentués par l’irradiation.
Le projet utilisera des techniques avancées de spectroscopie des photoélectrons, notamment la photoémission induite par des rayons X durs avec le rayonnement synchrotron, ainsi que des analyses complémentaires de structure par la microscopie électronique à haute résolution, la diffraction des rayons X et la microscopie en champ proche. Les caractérisations expérimentales seront accompagnées par des calculs théoriques pour simuler la réponse du matériau à l’irradiation.
Ce travail sera développé dans le cadre d’une collaboration étroite entre le CEA/Leti à Grenoble, fournissant les échantillons, les dispositifs intégrés et les caractérisations électriques à l’échelle du wafer, et le CEA/Iramis à Saclay où le doctorant sera basé, pour l’ensemble des analyses des propriétés des matériaux, les irradiations, les expériences avec le rayonnement synchrotron et les caractérisation à l’échelle du dispositif.
Le contexte de la thèse s’inscrit dans l’exploration de nouvelles technologies de supercondensateurs et de dispositifs hybrides de stockage d’énergie, visant à concilier miniaturisation, forte densité de puissance et compatibilité avec les procédés microélectroniques. L’expertise du laboratoire d’accueil (LTEI/DCOS/LCRE) en intégration de couches minces et en ingénierie de matériaux diélectriques ouvre aujourd’hui des perspectives inédites pour l’étude des comportements ferroélectriques et antiferroélectriques dans les oxydes d’hafnium dopés.
La thèse portera plus particulièrement sur l’étude expérimentale et la modélisation physique de condensateurs à couches minces d’oxyde d’hafnium (HfO2), dopés de manière à présenter des propriétés ferroélectriques (FE) ou antiferroélectriques (AFE) selon la composition et les conditions de dépôt, par exemple à travers l’incorporation de ZrO2 ou de SiO2. Ces matériaux présentent un fort potentiel pour la réalisation de dispositifs combinant fonctions de mémoire non-volatile et de stockage d’énergie sur une même plateforme CMOS-compatible, ouvrant ainsi la voie à des systèmes autonomes à très faible consommation, tels que les architectures d’edge computing, les capteurs environnementaux ou les objets connectés intelligents.
Le travail de recherche consistera à fabriquer et caractériser des condensateurs métal–isolant–métal (MIM) à base d’HfO2 dopé, intégrés sur substrats silicium, puis à étudier expérimentalement les mécanismes de relaxation des domaines ferroélectriques et antiferroélectriques à partir de mesures courant–tension (I–V) et polarisation–champ électrique (P–E), réalisées sous différentes fréquences, amplitudes et conditions de cyclage. L’analyse des boucles d’hystérésis mineures permettra d’extraire la distribution des énergies d’activation et de modéliser la dynamique de relaxation des domaines ferroélectriques. Un modèle physique sera ensuite élaboré ou adapté afin de décrire les transitions FE/AFE sous excitation électrique cyclique, en tenant compte des phénomènes de piégeage de charges, des contraintes mécaniques et des effets de nucléation et de croissance des domaines.
L’ensemble de ces travaux visera à optimiser la densité d’énergie récupérable et le rendement énergétique global des dispositifs, tout en établissant des critères de conception pour des composants de stockage d’énergie compacts, efficaces et pleinement intégrables dans les technologies silicium. Les connaissances acquises contribueront à une meilleure compréhension des mécanismes dynamiques régissant le comportement FE/AFE de l’HfO2 dopé et bénéficieront potentiellement à d’autres domaines tels que les mémoires ferroélectriques, la récupération d’énergie et les architectures neuromorphiques à basse consommation.
L’objectif principal des travaux de thèse est de développer des couches conductrices par la technique ALD (Atomic Layer Deposition) à très faible épaisseur (<10nm) avec des fonctionnalités d’électrodes (très faible résistivité 100). L’autre challenge vise à réduire l’épaisseur des couches à moins de 5nm tout en préservant les propriétés électriques très avancées (résistivité de quelques mOhm). Le travail de thèse comporte plusieurs aspects incluant le procédé et les précurseurs ALD, la caractérisation des couches intrinsèques (physico-chimiques, électrochimique et morphologique) ainsi que l’intégration en dispositif 3D.
Les copolymères à blocs (BCP) sont une technologie en pleine expansion industrielle, offrant des perspectives prometteuses pour la nanostructuration de matériaux. Ces polymères, constitués de chaînes de blocs chimiquement distincts, s'auto-assemblent pour former des structures ordonnées à l'échelle nanométrique. Cependant, leur utilisation actuelle est limitée à une nanostructuration spécifique par produit (1 produit = 1 nanostructuration), restreignant ainsi leur potentiel d'application.
Cette thèse propose de développer une méthode innovante pour créer plusieurs motifs en une seule étape d'auto-assemblage des BCP grâce à un mélange de deux produits. L'étudiant(e) s'intéressera également au contrôle de la localisation des motifs en utilisant la chemoepitaxie, une technique combinant le guidage chimique et morphologique pour contrôler précisément la position des motifs à l’échelle micrométrique et nanométrique. Le travail se déroulera en plusieurs étapes : compréhension des mécanismes des copolymères à blocs mélangés, développement de substrats fonctionnalisés pour la chemoepitaxie en utilisant des techniques de lithographie avancées, et réalisation d'expériences d'auto-assemblage des BCP sur ces substrats. Les structures obtenues seront analysées grâce aux équipements de métrologie disponibles au CEA-Leti.
Les applications visées incluent la création de nanostructures capables d'interagir avec la lumière, réduisant la diffraction et contrôlant la polarisation. Les résultats attendus incluent la démonstration de la capacité à générer plusieurs types de motifs en une seule étape d'auto-assemblage, avec un contrôle précis de leur position et de leurs dimensions.
Dans la course à la construction d'un ordinateur quantique, la fabrication de dispositifs basés sur la technologie FD-SOI au silicium, robuste et évolutive, suscite un vif intérêt. Le transistor à effet de champ Josephson (JoFET) en est un exemple, dont le fonctionnement repose sur la grande transparence de l'interface entre les régions source/drain supraconductrices et le canal semi-conducteur. Cette transparence pourrait être améliorée en dopant les régions source/drain, ce qui permettrait de réduire la hauteur de la barrière de Schottky aux interfaces supraconducteur/semi-conducteur.
Ce doctorat vise à développer des contacts siliciures supraconducteurs hautement transparents sur une ligne de production de 300 mm à l'aide du recuit par laser pulsé nanoseconde (NPLA). Le NPLA jouera un rôle clé pour atteindre des concentrations de dopage extrêmement élevées dans le silicium [1,2], puis pour former les siliciures supraconducteurs (CoSi2, V3Si) avec un budget thermique minimal et une désactivation minimale des dopants. Une attention particulière sera accordée aux contraintes pendant la formation des siliciures et à leur impact sur la température critique supraconductrice. De plus, la distribution des dopants sera évaluée par tomographie atomique (APT), une technique d'imagerie 3D avancée capable d'imager la distribution des dopants à l'échelle atomique [3]. Enfin, des mesures électriques sur les jonctions et les transistors fabriqués seront effectuées à basse température (< 1 K) afin d'évaluer la transparence des contacts supraconducteurs.
Les nanoplaquettes semi-conducteurs (NPLs) sont une classe de nanostructures bidimensionnelles qui possèdent des propriétés électroniques et optiques distinctes de celles des quantum dots sphériques (QDs). Ils présentent un confinement quantique fort dans une seule dimension, l'épaisseur, qui peut être contrôlée à la monocouche près par des méthodes de synthèse chimique en solution. De ce fait les NPLs émettent une lumière avec une largeur spectrale extrêmement étroite. En même temps, ils présentent un coefficient d’absorption très élevé. Ces propriétés en font des candidats idéals pour différentes applications (diodes électroluminescentes pour des écrans à consommation électrique réduite, photocatalyse, émetteurs à photons uniques, lasers,…).
Pour l’instant seule la synthèse de NPLs de chalcogénures de métaux est maîtrisée. Ces matériaux présentent soit des éléments toxiques (CdSe, HgTe, etc.) soit une grande largeur de bande interdite (ZnS, ZnSe). Pour ces raisons le développement des méthodes de synthèse pour des NPLs de semi-conducteurs III-V, tel que l’InP, InAs et InSb présente un grand enjeu. Dans cette thèse nous développerons des nouvelles approches synthétiques pour la croissance des NPLs d’InP, explorant différentes voies et utilisant des caractérisations in situ ainsi que la méthode de plans d’expérience assistée par machine learning. Des simulations numériques seront utilisées pour déterminer la réactivité des précurseurs et pour modéliser les mécanismes induisant la croissance anisotrope.
Les récentes avancées dans les moteurs électriques et l'électronique de puissance associée engendrent une hausse significative des besoins en densité de puissance. Cette augmentation de la densité de puissance implique ainsi des surfaces d'échange thermique réduites, ce qui amplifie les défis liés à l'évacuation de la chaleur due aux pertes produites par les composants d’électronique de puissance lors de leur fonctionnement. En effet, l'absence d'une dissipation adéquate entraîne une surchauffe des composants électroniques, impactant leurs performances, durabilité et fiabilité. D’autres problématiques liées au coût, à la réparabilité et aux contraintes thermomécaniques remettent en question les interfaces thermiques isolantes traditionnelles réalisées à base de céramique. Ainsi, il est impératif de développer une nouvelle génération de matériaux dissipateurs thermiques prenant en considération l’environnement du système.
L’objectif de cette thèse est de substituer dans les systèmes de modules de puissance le substrat céramique, qui a pour rôle principal d’être la couche diélectrique du système, par un composite à matrice organique thermo-conducteur. Le substrat actuel présente des limitations bien connues (fragilité, mauvaise interface, limite de cyclage, coût). Le substrat organique devra avoir une conductivité thermique la plus élevée possible (>3 W/m.k) afin de dissiper convenablement la chaleur émise tout en étant isolant électrique avec une tension de claquage d’environ 3kV/mm. Il devra également avoir un coefficient d’expansion thermique (CTE) compatible avec celui du cuivre afin de supprimer les phénomènes de délamination lors des cyclages subis par le dispositif pendant son temps de vie. L’innovation des travaux du doctorant résidera dans l’utilisation de (nano)charges très conductrices thermiquement qui seront isolées électriquement (revêtement isolant) et pourront être orientées dans une résine polymère sous stimulus externe. Le développement du revêtement isolant électrique sur le cœur thermo-conducteur se fera par voie sol-gel. La synthèse sera contrôlée et optimisée en vue de corréler l’homogénéité et l’épaisseur du revêtement aux performances diélectriques et thermique du (nano)composite. L’interface charge/matrice (source potentielle de diffraction des phonons) sera également étudiée. Un second volet portera sur le greffage de nanoparticules magnétiques (NPM) sur les (nano)charges thermo-conductrices. Des NPM commerciales seront évaluées (selon les besoins des nuances synthétisées en laboratoire pourront être également évaluées). Les (nano)composites devront posséder une rhéologie compatible avec les procédés de pressage et/ou d’injection.