Vers un compromis entre effet de charge et endommagement du matériau lors de la gravure plasma des semiconducteurs III-V
La demande croissante pour les semi-conducteurs III-V dans les applications photovoltaïques haute efficacité, la photonique quantique et les technologies d'imagerie avancées nécessite le développement de méthodes de fabrication innovantes et économiquement viables. Ce projet de thèse vise à développer des procédés de gravure plasma pour les semi-conducteurs III-V à base d'In afin de produire des structures à haut rapport d'aspect (HAR) sur des plaquettes de grandes dimensions (100-300 mm). La recherche aborde deux défis majeurs : comprendre comment les fenêtres de procédé de gravure évoluent avec la quantité de matériau et les conditions de procédé (dominance physique vs chimique), et minimiser la dégradation électrique induite par la gravure HAR, cruciale pour les performances des dispositifs.
Ces défis sont fondamentalement liés à la faible volatilité des sous-produits de gravure à base d'In, à la nécessité d'équilibrer les apports d'énergie cinétique et thermique pour améliorer la sélectivité de gravure, et à la gestion des effets de chargement pour la production à grande échelle. L'approche expérimentale s'appuiera sur les installations de pointe du CEA-Leti, incluant la plateforme Photonique pour le traitement de plaquettes de 2-4 pouces, permettant le développement de stratégies de masquage (dépôt de masque dur, photolithographie) et la gravure à basse température (150°C).
La caractérisation fera appel au MEB pour l'analyse des profils de gravure, à l‘XPS pour la composition de surface et à la TEM-EDX pour l'évaluation de la qualité des flancs. L'évaluation des dommages sera réalisée par la mesure de la décroissance de photoluminescence dans le proche infrarouge pour déterminer la durée de vie des porteurs minoritaires et identifier les centres de recombinaison. Le travail vise à développer des procédés de gravure HAR optimisés (rapports d'aspect >10, dimensions critiques <1 µm) pour les matériaux III-V à base d'In, à étudier les techniques de plasma pulsé pour réduire les dommages induits par la gravure, et à approfondir la compréhension des mécanismes de formation des défauts pour guider l'optimisation des procédés à l'échelle industrielle.
Fonctions optiques intégrées sur plan focal micro-bolométrique pour l’imagerie infrarouge non refroidie
L’imagerie infrarouge en bande thermique (longueurs d’onde 8-14 µm) est un domaine en forte croissance, particulièrement dans les domaines de l’industrie, du transport, de l’environnement. Elle s’appuie sur une technologie de détection, les microbolomètres, pour laquelle le CEA-Léti est au meilleur niveau de l’état de l’art mondial. L’intégration de fonctions optiques avancées directement sur les détecteurs est une voie très prometteuse pour gagner en performance, en compacité et en coût dans les futures caméras infrarouges.
Les fonctions optiques envisagées comprennent le filtrage spectral, la polarimétrie, la correction de front d’onde, etc. Certaines visent à enrichir l’image par des informations indispensables aux applications telles que la thermographie absolue (mesure de température et d’émissivité), l’identification pour l’interprétation automatique de scène (machine vision), la détection de gaz, etc.
Les travaux proposés comprendront des activités de conception, réalisation et caractérisation électro-optique de matrices de microbolomètres fonctionnalisés. La conception de ces fonctions optiques utilisera des moyens de simulation 3D électromagnétique, elle prendra en compte leur compatibilité avec nos technologies de microbolomètres et les capacités de nos moyens de micro-fabrication. La réalisation se fera dans les salles blanches du CEA-Léti par des personnels dédiés mais le (la) candidat(e) prendra part à la définition et au suivi des travaux. Enfin, les caractérisations optiques et électro-optiques seront faites dans notre laboratoire, si besoin avec le développement de bancs de caractérisation dédiés.
Optimisation topologique des performances optiques de µLED
Les performances des micro-LEDs (µLEDs) sont fondamentales pour les micro-écrans, un domaine d’excellence du laboratoire LITE au CEA-LETI. Cependant, simuler ces composants est complexe et coûteux en calculs, en raison de la nature incohérente des sources lumineuses et des géométries impliquées. Cela limite la possibilité d’explorer efficacement des espaces de conception multi-paramètres.
Cette thèse propose de développer une méthode innovante basée sur les éléments finis pour accélérer les simulations tout en rendant possible l’utilisation de l’optimisation topologique sur ces sources incohérentes. L’objectif est de produire des designs non intuitifs maximisant les performances tout en respectant les contraintes industrielles.
Le travail se divise en trois phases :
- Développer une méthode de simulation rapide et fiable, en intégrant des approximations physiques adaptées aux sources incohérentes et en réduisant les temps de calcul d’un facteur significatif.
- Concevoir un cadre d’optimisation topologique robuste, intégrant des contraintes de fabricabilité, pour générer des designs immédiatement réalisables.
- Réaliser un prototype à base de "composants sur étagère" du laboratoire qui consiste en une gravure de motifs complexes sur une couche de diélectrique au dessus d'une µLED. Cette partie est sujette à l'intégration de la thèse dans les projets axés "Métasurfaces" du laboratoire afin de profiter d'un financement type IPCEI ou projet européen. Cette partie est optionnelle dans le projet de thèse, à moduler selon opportunités de financement d'un tel prototype.
Les résultats attendus incluent des designs optimisés pour micro-écrans offrant des performances accrues et une méthodologie généralisable à d'autres dispositifs photoniques. Les efforts consentis à développer une telle méthodologie pourront bénéficier à d'autres laboratoires du DOPT, travaillant eux aussi sur les métasurfaces.