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.
Etude des mécanismes de transfert de structures 3D dans une couche inorganique pour l'optoélectronique
Les dispositifs optoélectroniques tels que les capteurs d’image à base de CMOS (aussi appelés imageurs) nécessitent la fabrication de structures 3D, des microlentilles convexes, afin de faire converger les photons vers les diodes photosensibles qui constituent les pixels. Ces éléments optiques sont indispensables pour le fonctionnement des dispositifs imageurs et leur forme ainsi que leur dimension sont critiques pour les performances. Dans le même ordre d’idée, les dispositifs basés sur l’optique diffractive ainsi que les capteurs hyper-spectraux sont en quête de structures multi-hauteurs complexes à réaliser. Enfin, les nouvelles technologies de micro-displays pour la réalité augmentée (AR) et de réalité virtuelle (VR) requièrent des structures 3D difficiles à réaliser avec les techniques de micro-fabrication conventionnelles.
Le Leti est à la pointe de l’état de l’art mondial sur une méthode innovante de photolithographie, dite par niveau de gris ou Grayscale, qui permet de réaliser toute une gamme de structures 3D dans une résine photosensible. Des formes concaves, ellipsoïdales, pyramidales et asymétriques sont ainsi accessibles. Ces structures complexes pourraient être utilisées pour de nouveaux domaines applicatifs, comme la photonique et les technologies de micro-displays précédemment citées. Une fois ces structures 3D réalisées dans une résine photosensible, il est nécessaire de les transférer par gravure plasma dans une couche fonctionnelle adaptée. Les mécanismes de transfert de structures 3D micrométriques dans une couche de polymère ont été récemment étudiés au Leti. Pour adresser de nouveaux besoins applicatifs, on souhaite désormais transférer ce type de structures 3D dans des couches inorganiques à base de silicium. De plus, ces structures, de plusieurs micromètres jusqu’à présent, tendent désormais vers des dimensions largement inférieures au micromètre. Cet aspect devrait rendre d’autant plus complexe la fidélité de transfert de motifs 3D.
Bien que critique, le transfert de motifs grayscale submicronique dans des couches inorganiques par gravure plasma est très peu été décrit dans la littérature. Cette thématique est de ce fait innovante et a une réelle valeur ajoutée. L’objectif de cette thèse est d’étudier et de comprendre les mécanismes de gravure de structures 3D submicroniques dans des couches inorganiques à base de silicium, telles que l’oxyde de silicium (SiO2) et le nitrure de silicium (SiN). Cela sera aussi l’occasion de répondre à certaines questions laissées en suspens lors des précédentes études. Le travail à réaliser est à très forte dominante expérimentale et se déroulera principalement dans la salle blanche 300mm du Leti. Vous aurez accès à des réacteurs de gravure plasma de dernière génération, ainsi qu’à de nombreux moyens de caractérisations. Cette thèse sera réalisée en étroite collaboration avec le service photolithographie du Leti et en interaction avec ses différentes équipes, telles que la plateforme silicium et les départements applicatifs.
Etude et évaluation de capacités en technologie silicium pour applications dans la bolométrie infrarouge
Les microbolomètres constituent aujourd'hui la technologie dominante pour la réalisation de détecteurs thermiques infrarouges non refroidis. Ces détecteurs sont couramment utilisés dans les domaines de la thermographie et de la surveillance. Il est néanmoins attendu, pour les prochaines années, une explosion du marché des microbolomètres, avec notamment l'implantation de ces derniers dans les automobiles et la multiplication des objets connectés. Le CEA Leti Li2T, acteur reconnu dans le domaine des détecteurs thermiques infrarouges, transfère depuis plus de 20 ans les technologies successives de microbolomètres à l'industriel Lynred. Afin de rester compétitif dans ce contexte d'accroissement du marché des microbolomètres, le laboratoire travaille à des microbolomètres de rupture comportant des composants CMOS comme élément sensible. Dans cette optique, le laboratoire a engagé des études se focalisant sur des capacités en technologie silicium qui varient avec la température, avec des premiers résultats prometteurs non rapportés dans la littérature. Le sujet de thèse s'inscrit dans ce contexte et vise à démontrer l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques. Il portera ainsi sur la modélisation analytique de ces composants et des effets physiques associés, ainsi que sur la lecture d'un tel composant dans une approche imageur microbolomètre. Une réflexion autour de l'intégration technologique sera également menée. L'étudiant bénéficiera de plusieurs lots technologiques déjà réalisés afin de caractériser expérimentalement les effets physiques et de prendre en main le sujet. L’étudiant aura à sa disposition l’ensemble des moyens de test du laboratoire (testeur paramétrique de semiconducteur, analyseur de bruit, banc optique, etc.) ainsi que les outils d’analyse pour une compréhension des phénomènes (Matlab/Python, simulations TCAD, simulations SPICE, Comsol, etc.). À l'issue de la thèse, l'étudiant sera en mesure de répondre à la question de l'intérêt de ces composants pour des applications microbolométriques.
(Nano)composites à (nano)charges cœur-coquille thermoconductrices et isolantes électriques orientables sous champ magnétique
Les avancées dans l'électronique de puissance, les moteurs électrique et les batteries par exemple engendrent une hausse significative de la production de chaleur pendant le fonctionnement. Cette augmentation de la densité de puissance associée à des surfaces d'échange thermique réduites amplifie les défis liés à l'évacuation de la chaleur. L'absence d'une dissipation adéquate entraîne une surchauffe des composants électroniques, impactant leurs performances, durabilité et fiabilité. Ainsi, il est impératif de développer une nouvelle génération de matériaux dissipateurs thermiques intégrant une structure dédiée à cet effet.
L’objectif et l’innovation des travaux du thésard résidera dans l’utilisation de (nano)charges très conductrices thermiquement qui seront orientables dans une résine époxy sous champ magnétique. Ainsi le premier axe de travail sera d’isoler électriquement les (nano)charges thermo-conductrices à fort facteur de forme (1D et 2D). L’isolation électrique de ces charges d’intérêt sera réalisée 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. Le second volet portera sur le greffage de nanoparticules magnétiques (NPM) sur les (nano)charges thermo-conductrices. Des NPM commerciales seront évaluées ainsi que des nuances synthétisées en laboratoire. Les (nano)composites devront posséder une rhéologie compatible avec le procédé d'infusion de résine.
Développement d’un flow de data préparation de lithographique 3D pour le dessin du masque freeform
Avec l’avancement des technologies optoélectroniques, notamment des imageurs et AR/VR, des géométries 3D de dimensions sub-micrométriques sont plus en plus demandées par les clients industriels. Pour fabriquer ces structures 3D, la lithographie « grayscale » avec UV profond (248nm ou 193nm) est une technologie prometteuse compatible avec la production industrielle. Par contre, la maîtrise de cette technologie est complexe et nécessite un modèle de lithographie (optique + résine) avancée pour prédire le dessin du masque optique utilisé. La thèse permettra d’améliorer notre compréhension de nos model lithographie grayscale et ses limite, ayant pour d’améliorer et d’optimiser la model et la flow de data préparation ou masque design pour diminuer l’ecart entre simulation et pattern fabriquée. Masque freeform poussera les limites de lithographie grayscale pour attendre de pitch plus agressive souhaiter pour l’application optique et optoélectronique.
Contrôle magnéto-ionique de jonctions tunnel magnétiques pour des applications neuromorphiques
La magnéto-ionique est un domaine émergent qui offre un grand potentiel de réduction de la consommation d'énergie dans les applications de mémoire spintronique grâce au contrôle non-volatile des propriétés magnétiques par l'intermédiaire de tension de grille. En combinant le concept de mouvement ionique contrôlé par tension des technologies memristor, typiquement utilisées dans les applications neuromorphiques, avec la spintronique, ce domaine offre une opportunité unique de créer une nouvelle génération de fonctionnalités neuromorphiques basées sur des dispositifs spintroniques.
Le doctorat sera un projet de recherche expérimentale axé sur la mise en œuvre du contrôle par tension de grille d’effets magnéto-ioniques dans les dispositifs spintroniques à jonction tunnel magnétique. Le but ultime du projet est d'obtenir un contrôle fiable et non volatile de la commutation de l'aimantation dans les jonctions tunnel magnétiques à trois terminaux.
Un défi majeur reste à relever pour l'utilisation de la magnéto-ionique dans des applications pratiques, à savoir son intégration dans les jonctions tunnel magnétiques (MTJ), qui sont les éléments constitutifs des architectures de mémoire magnétique. Cela permettra non seulement de débloquer le contrôle dynamique des champs/courants de commutation dans les jonctions tunnel magnétiques afin de réduire la consommation d'énergie, mais aussi de contrôler la stochasticité, ce qui a des implications importantes dans l'informatique probabiliste.
Conception et fabrication de circuits neuromorphiques basés sur des dispositifs ioniques
Les réseaux de neurones (NN) sont inspirés des processus de calcul et de communication du cerveau afin de résoudre efficacement des tâches telles que l'analyse de données, le traitement adaptatif de signaux en temps réel, et la modélisation de systèmes biologiques. Cependant, les limitations matérielles constituent actuellement le principal obstacle à une adoption à grande échelle. Pour y remédier, un nouveau type d'architecture de circuit appelé "circuit neuromorphique" est en train d’émerger. Ces circuits imitent le comportement des neurones en intégrant un haut degré de parallélisme, une connectivité adaptable et un calcul en mémoire. Les transistors à base d'ions ont été récemment étudiés pour leur potentiel à fonctionner comme neurones et synapses artificiels. Bien que ces dispositifs émergents présentent d’excellentes propriétés en raison de leur très faible consommation d'énergie et de leurs capacités de commutation analogique, ils nécessitent encore une validation à l’échelle de systèmes plus larges.
Dans l'un des laboratoires du CEA-Leti, nous développons de nouveaux transistors à base de lithium en tant que brique de base pour déployer des réseaux de neurones artificiels à faible consommation d'énergie. Ces dispositifs doivent désormais être intégrés dans un système réel pour évaluer leur performance et leur potentiel. En particulier, des circuits bio-inspirés et des architectures en barre croisée pour le calcul accéléré seront ciblés.
Au cours de cette thèse, votre objectif principal sera de concevoir, implémenter et tester des réseaux de neurones basés sur des matrices de transistors à base de lithium (~20x20) et des circuits neuromorphiques, ainsi que la logique CMOS de lecture et d’écriture pour les contrôler. Les réseaux pourront être implémentés en utilisant différents algorithmes et architectures, y compris les réseaux de neurones artificiels, les réseaux de neurones impulsionnels et les réseaux de neurones récurrents, qui seront testés pour résoudre des problèmes de reconnaissance de motifs spatiaux et/ou temporels et pour reproduire des fonctions biologiques telles que le conditionnement pavlovien.
Epitaxie sélective basse température du SiGe(:B) pour les transistors pMOS FD-SOI
Dans le cadre de l’évolution des technologies silicium pour la microélectronique, les procédés mis en jeu dans la fabrication des dispositifs se doivent d'être optimisés. Plus précisément, l'épitaxie, technique de croissance cristalline, est utilisée pour fabriquer des transistors FD-SOI (Fully Depleted-Silicon On Insulator) au nœud technologique 10 nm dans le cadre du projet NextGen au CEA-Leti. Une épitaxie de semi-conducteurs de type Si et SiGe dopée ou non est développée afin d’améliorer les performances électriques des dispositifs. Le travail de thèse portera sur les épitaxies sélectives du SiGe(:B) pour les canaux et les sources/drains des transistors pMOS. Une comparaison des cinétiques de croissances du SiGe et du SiGe:B sera faite entre les croissances sous gaz porteur H2, couramment employé et le gaz porteur N2. Des stratégies innovantes de dépôt/gravure cyclées (CDE) seront également évaluées, l’objectif étant d’abaisser la température du procédé.