Étude des films de transport d'électrons et de trous pour améliorer la stabilité thermique des photodiodes à base de quantum dots III-V

Les nanocristaux semi-conducteurs ou quantum dots (QD) colloïdaux sont de nouveaux éléments de base pour la fabrication d’imageurs à haute performance ayant une détection de lumière accordable dans la gamme de longueurs d'onde SWIR. Mais ces détecteurs présentent actuellement une dégradation indésirable lorsqu’ils sont soumis à une contrainte thermique élevée. Cette dégradation peut cependant être considérablement réduite en optimisant les matériaux constitutifs de l’empilement photodiode (contacts, couche de transport des trous (HTL), couche de transport des électrons (ETL) et encapsulation), leurs épaisseurs et les procédés d’élaboration utilisés. Ainsi une étude détaillée sera menée afin de trouver les meilleurs candidats pour la HTL, l'ETL et l'électrode supérieure permettant de surmonter les limitations actuelles. La sélection des matériaux et des procédés de dépôts pour ces films minces seront choisis et étudiés parmi une variété de matériaux existants développés au LETI. Les films de QD ayant une absorption accordable entre 1 et 2,5 µm seront préparés par STMicroelectronics et le CEA-IRIG en collaboration avec d'autres partenaires. La fabrication des dispositifs (lithographie/gravure) et les tests électro-optiques seront réalisés en interne au LETI avec le soutien de STMicroelectronics.

Système de communication optique intégré très haut débit

Quotidiennement, des milliards de données sont échangées dans le monde. Ainsi, le transfert de données numériques est devenu un enjeu technique primordial notamment au sein des calculateurs hautes performances. Il doit être très rapide (de plus en plus) et peu gourmand en énergie (de moins en moins). La communication via une fibre optique, connue pour les communications longue distance, est très bien adaptée également à des communications faible distance (du centimètre au mètre). Dans ce cas, le système utilisé est constitué d’une « fibre imageuse » contenant un nombre élevé de fibres optiques, d’une matrice de micro-Leds permettant d’envoyer le signal lumineux sur ces fibres, d’une matrice photo-détectrice recevant le signal lumineux des fibres et d’un système embarqué permettant la mise en forme de l’information (modulation, parallélisation) à transmettre et à récupérer ensuite.

Basée sur les technologies avancées en développement au CEA-Leti (empilement des circuits, développement de nouvelles micro-Leds et photo-diodes), le doctorant étudiera l’architecture électronique intégrée d’un tel système dans ce contexte technique particulier, extrêmement compact, très fortement parallèle, et très prometteur en terme de gain en performance par rapport à l’état de l’art.
Modélisation haut niveau, pré-design, études de l’intégrité du signal et de modulations complexes permettront d’avoir une vision précise de ce que pourront être les performances de ces futurs systèmes de communications optiques.

Basé à Grenoble, le doctorant sera accompagné dans son travail de recherche par deux équipes d’experts en conception de circuits et photonique intégrés.

L'environnement de recherche : http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/Plateforme-Conception.aspx

Etude des photodiodes PiN pour les imageurs infrarouges refroidis

En termes de détection IR haute performance, le LETI joue un rôle de premier plan dans le développement du matériau HgCdTe qui donne aujourd’hui des performances telles qu’il est embarqué sur le Télescope Spatial James Webb (JWST) et permet l’observation et l’étude de l’espace lointain avec une précision inégalée à ce jour. Cependant, nous pensons qu’il est encore possible de franchir un pas important en termes de performances de détection. En effet, il semble qu’une structure totalement déplétée, appelée photodiode PiN, pourrait permettre de réduire encore le courant d’obscurité (et donc réduire le bruit et gagner en sensibilité à bas flux photonique) par rapport aux structures non totalement déplétées utilisées jusqu’à présent. Cette architecture représenterait la photodiode ultime et permettrait soit un gain en performance pure à une température de fonctionnement donnée, soit une augmentation importante de la température de fonctionnement du détecteur avec le potentiel d’ouvrir de nouveaux champs d’application en simplifiant fortement la cryogénie.
Votre rôle dans ce travail de thèse sera de contribuer au développement de la photodiode ultime pour la détection IR refroidi très haute performance, caractériser et simuler les photodiodes PiN en technologie HgCdTe fabriquées sur notre plateforme photonique. Les figures de mérite principales des détecteurs seront établies et comparées à celles de la littérature (courant d’obscurité, qualité image, …). Le candidat pourra s’appuyer sur un socle de moyens de caractérisations avancées disponibles au laboratoire : mesures de FTM par EBIC (Electron-Beam-Induced-Current), de transport électronique par EH (Effet Hall), MEMSA (Maximum Entropy Mobility Spectrum Analysis) ou EBIC (extraction de la durée de vie des porteurs minoritaires) en plus des moyens plus classiques de mesures : analyseurs de paramètres à semi-conducteurs (HR-SMU pour High-Resolution Source Measurement Unit), rendement quantique, bruits temporel et spatial. Ce travail expérimental et théorique permettra de proposer une modélisation du comportement des objets fabriqués au CEA-Léti et de déterminer la sensibilité aux paramètres technologiques.
Le doctorant s’intègrera dans une équipe multidisciplinaire qui va de la croissance des matériaux II-VI jusqu’à la caractérisation EO, en passant par les procédés de fabrication de type microélectronique en salle blanche et les problématiques de packaging de tels objets fonctionnant à basse température.
Vous êtes titulaire d’un Master en optoélectronique ou physique des matériaux semi-conducteurs et êtes passionné par la recherche appliquée.
Les principales compétences techniques souhaitées sont : physique des composants à semi-conducteurs, optoélectronique, traitement des données, simulations numériques, attrait pour le travail expérimental pour mener à bien les caractérisations en environnement cryogénique et théorique pour mener à bien les simulations numériques.

Développement d'une architecture de caméra plenoptique infrarouge non refroidie

La plenoptique dite basse-résolution se généralise dans les imageurs visibles pour des applications tel que l’autofocus, le post-traitement d’image et parfois l’estimation de profondeur. Son principe repose sur l’association de trois éléments principaux, un réseau de microlentille de dimension pixelliques, un plan focal de détection et des algorithmes de reconstruction. Nous souhaitons évaluer à travers cette thèse la possibilité de réaliser une telle fonction plenoptique dans la gamme infrarouge pour des technologies de détecteurs non refroidies (micro-bolomètre)

Au sein de notre laboratoire de 25 personnes, mêlant des métiers de conception/simulations, de fabrication et de caractérisations d’imageurs micro-bolomètres, en tant que doctorant, votre rôle consistera à :
- Etablir les spécifications préliminaires de microlentilles adaptés à nos détecteurs et au besoin applicatif de l’autofocus.
- Concevoir et simuler le comportement de ces micro-optiques et proposer des designs originaux en solution réfractive ou bien en méta-surface
- Réaliser ou faire réaliser ces micro-optiques après avoir évaluer la faisabilité de ces designs en partenariat avec les personnes en charge de la fabrication
- Implémenter un algorithme de reconstruction existant et qui sera identifié dans la littérature
- Caractériser les micro-optiques sur un banc dédié et réaliser une preuve de principe en couplant ces dernières avec un plan focal micro-bolométrique.

Pour mener à bien ces missions, vous serez pour cela intégré au sein du laboratoire LI2T où vous pourrez échanger avec les différentes personnes afin de vous afin de vous familiariser avec les technologies micro bolomètres et où vous aurez accès aux ressources de calcul du CEA Leti.

Vous êtes titulaire d’un Diplôme d’Ingénieur, dans le domaine de l’optique ou du traitement d’image et avez une appétence pour la simulation numérique des composants. Les principales compétences techniques souhaitées sont:# Maitrise des lois de l’optique et de l’électromagnétisme ; # Maitrise d’un langage de programmation (Python et/ou Matlab) ; # Des notions sur les méthodes numériques de simulations (FEM, RCWA, …) adaptées à l’électromagnétisme sont un plus. Vous êtes reconnu(e) pour : votre curiosité et votre envie de creuser les choses, votre dynamisme et votre capacité à être force de proposition.

Modulateurs III-V/Si haute fréquence pour les applications en communications et capteurs optiques

La demande mondiale en interconnections digitales repose sur la croissance des volumes de données échangés et sur l’augmentation du nombre d’utilisateurs. Les flux de données qui circulent à travers cette infrastructure à échelle planétaire sont redirigées par des nœud électroniques-optiques, situés à l’intérieur des data-centres jusque dans les domiciles des usagers (FTTH).Chaque nœud requiert de nombreux transceivers haute-performance, pour transmettre et recevoir l’information.
Par ailleurs, les circuits intégrés photoniques (PIC) sont une technologie prometteuse pour des systèmes basse-consommation, haute-performance et basse-dimension. La disponibilité de dispositifs de télécommunication optiques sur étagère, comme des lasers télécom ou des modulateurs optiques, suscite de grands intérêts au sein d’autres milieux scientifiques et technologiques qui travaillent avec de la lumière infrarouge. Ces circuits photoniques peuvent être adaptés pour fonctionner à des longueurs d’onde correspondant aux raies d’absorption de certains gaz, pour être intégrés dans des systèmes de détection.

Le III-V Lab et le CEA Leti ont récemment démontré de l’épitaxie par croissance sélective (SAG) de matériaux III-V sur du silicium, un procédé de fabrication décisif permettant la fabrication simultanée de puits quantiques à performances spectrales différentes.
Pour une future intégration de cette technologie, les performances des modulateurs III-V/Si doivent être améliorées.
Le but de cette thèse est de développer des modulateurs, pour démontrer des performances au niveau de l’état de l’art qui s’intègreront avec la technologie SAG.
Ces composants basés sur des guides d’ondes III-V sur silicium seront modélisés, fabriqués et testés en vue de montrer de la modulation optique en phase et en amplitude à haute-fréquence.
Ce travail requiert une optimisation opto-électronique de l’empilement III-V à base d’InP et du couplage vers les guides SOI sous-jacents pour réduire les pertes, l’absorption, et la tension de déphasage, tout en augmentant la bande passante, visant les 100 GHz.
Les modulateurs de phase sont à démontrer dans des circuits de transmission cohérente, au-delà de 400 Gbps/canal grâce aux schémas de modulation avancés tels que le 16QAM.
Ces circuits seront aussi utilisés pour démontrer de la modulation de bande latérale unique optique (oSSBM) pour du décalage de fréquence sur 100 GHz dans des capteurs.

Le doctorant sera basé au CEA-LETI (Grenoble), au sein du Laboratoire d’Intégration Photonique sur Silicium, dans le cadre du programme de R&D existant avec III-V Lab (Palaiseau) qui co-encadrera ce travail de thèse.

Inscription de Guides d’Onde dans les Fibres Optiques en Silice et en Saphir et Etude de leurs Stabilités Thermiques

Les réseaux de Bragg sur fibres optiques, sont des structures photo-inscrites de motifs périodiques de courte longueur (millimétrique), souvent par laser femtoseconde dans le cœur des fibres optiques et agissent comme un filtre optique passe-bande en réflexion centré sur la longueur d’onde de Bragg. Cette propriété permet un multiplexage spectral et la mesure du décalage en longueur d’onde de Bragg fournit l’information recherchée. En base silice, les réseaux de Bragg permettent de réaliser des mesures de températures jusqu’à 1200°C. Pour des mesures supérieures à 1200°C, les fibres optiques en saphir sont utilisées jusqu’à des températures de 2000°C. Cependant, le comportement de guidage des fibres optiques en saphir est très multimodal car elles ne possèdent pas de cœur. En conséquence, la mesure est moins précise et le rapport signal-sur-bruit est moins élevé que pour une fibre monomode en silice. De plus, toute modification de la surface de la fibre a un impact sur le spectre du réseau de Bragg.
Le but de cette thèse est de développer des outils et méthodes pour la maîtrise du processus de création d’un guide d’onde optique dans la fibre en saphir, permettant ainsi une réduction du contenu modal se propageant dans la fibre en saphir et in fine ouvrir des perspectives importantes en métrologie en environnements sévères (contrôle de moteur d’avions, réacteurs nucléaires, procédé thermochimiques, etc.) qui font partie des missions du DRT/LIST-DIN. Une des techniques envisagées est la photo-inscription d’une gaine optique, en forme d’anneau, donc le diamètre interne – i.e. le cœur – serait de l’ordre de la dizaine de micromètres. D’autres techniques telles que l’implantation ionique sont aussi envisagées pour créer la gaine optique par amorphisation (collaboration envisagée avec le GANIL, ligne d’implantation IRRSUD). Enfin ces structures seraient caractérisées à haute température (2000°C) et sous très haute pression dynamique (> 10 GPa).

Nouvelles architectures en géométrie inverse pour l’imagerie à rayon X spectrale

Des technologies émergentes dans le domaine des sources à rayons X et des détecteurs permettent d’imaginer de nouveaux systèmes en rupture pour l’imagerie 3D.
En tomographie conventionnelle, un détecteur de grande surface acquiert des images d’un objet exposé aux rayons X issus d’une source ponctuelle. Les nouvelles générations de scanners médicaux intègrent par ailleurs des détecteurs semi-conducteurs spectrométriques permettant un gain réel en terme de qualité d’image.
La thèse proposée consiste à changer de paradigme en concevant un système qui associe une multitude de sources à rayons X distribuées à un détecteur spectrométrique de petite taille. Ce type de géométrie inversée est innovante en terme d’architectures systèmes et permet de relâcher la contrainte sur la dimension du capteur ainsi que de réduire certains artéfacts.
Le travail de thèse s’articulera autour de la conception et simulation de nouveaux systèmes en géométrie inverse et du développement d’algorithmes de reconstruction associés. Ces algorithmes, basés sur des méthodes proximales et pouvant intégrer des réseaux de neurones, devront tirer profit de la richesse de l’information fournie par le détecteur spectrométrique en condition d’acquisition parcimonieuse.
Le doctorant s’appuiera sur les outils de simulation et de reconstruction développés au sein du laboratoire et bénéficiera aussi de moyens expérimentaux permettant de valider les développements. Il évoluera au sein d’un laboratoire pluridisciplinaire avec une longue expérience en conception de détecteurs spectrométriques et dimensionnement de systèmes à rayons X. Des échanges avec des équipes externes au CEA, notamment des radiologues, permettra d’alimenter les recherches en y intégrant un besoin final.

Développement d’une méthode de caractérisation large échelle de motifs photoniques courbes pour la préparation de données de masques avancées.

La photonique intégrée sur silicium, qui consiste à utiliser les procédés de fabrication de l’industrie microélectronique pour réaliser des composants photoniques, est considérée comme une technologie d’avenir critique pour les applications de communications et de calcul à très haute vitesse.

La réalisation de dispositifs Photonique sur silicium nécessite la manipulation de designs intégralement courbes (dits non-Manhattan). Ceci donne lieu à de nombreux challenges lors de leur fabrication, et tout particulièrement lors de l'étape de conception des masques avancés de photolithographie. Afin de déterminer les masques optimaux, des algorithmes de compensation d'effets optiques (OPC) sont systématiquement appliqués. Ces derniers sont particulièrement délicats à mettre en œuvre dans le cas particulier de motifs curvilinéaires.

La précision avec laquelle les modèles OPC sont capables d'anticiper les performances d'impression des motifs peut être évaluée à l'aide de CD-SEM sur des structures spécifiques simples, de taille réduite, selon une unique orientation. Or, les dispositifs Photoniques (par exemple, les guides d'ondes) sont continus, faisant jusqu'à quelques millimètres de long, et couvrent toutes les orientations de l'espace. Une métrologie élargie et précise de tels objets n'existe pas, rendant impossible pour les ingénieurs OPC le diagnostic sur produit de la qualité de réalisation des dispositifs.

L'objectif de la thèse est de mettre au point une méthode de mesure dimensionnelle précise, à large échelle, des structures Photonique. On cherchera notamment à mettre en œuvre des solutions d'aboutement (stitching) d'images SEM, d'extraction de contours, avec le développement de métriques dédiées. La thèse propose notamment :

- l'étude de solutions métrologiques et scriptées pour permettre la caractérisation par CD-SEM à large échelle, typiquement en combinant plusieurs images.

- la mise en place d'extraction de contours de motifs courbes sur des images recombinées.

- le développement et la mise en place de métriques 2D innovantes pour permettre la mesure d'objets courbes, puis leur comparaison entre eux (ou avec une référence).

- l'inclusion des contours réels large échelle dans les logiciels de simulations optiques (Lumerical, FDTD) pour caractériser les performances réelles des dispositifs.

La thèse se déroulera pour 3 ans entre le site de STMicroelectronics (Crolles) et celui du CEA-LETI (Grenoble), dans un contexte de forte collaboration entre les équipes des deux organismes.

Le doctorant aura accès aux salles blanches et à des équipements industriels et/ou de recherche à l'état de l'art mondial, ainsi qu'à des logiciels commerciaux de référence. Vous bénéficierez de toute l'expertise technique des équipes encadrantes à STMicroelectronics et au CEA-LETI à propos de la photolithographie, de la métrologie, du traitement d'images et du développement informatique appliqué (Python).

Gravure et intégration de matériaux à changement de phase pour la photonique reconfigurable

Les verres de chalcogénures sont des matériaux d’intérêts pour de nombreuses applications : dans les mémoires à changement de phase avec par exemple l’enregistrement optique (CD-RW, DVD-RAM, Blu-ray Disks) ou plus récemment les mémoires universelles (Storage Class Memory), comme sélecteur dans les mémoires résistives à architecture 3D (sélecteur OTS) ou encore comme milieu actif pour l’optique non-linéaire et la photonique reconfigurable. Dans ce dernier cas, la réalisation de métasurfaces à indice optique pilotable ainsi que le développement d’actuateurs photoniques est un sujet qui connait un regain d’intérêt compte tenu des propriétés optiques uniques ces matériaux.
Dans ce domaine, le CEA-LETI est l’un des acteurs internationaux majeurs dans l’élaboration de couches minces de matériaux à changement de phase ainsi que de la caractérisation et de la compréhension de leurs propriétés physiques. Aujourd’hui, bien que ces matériaux soient bien maitrisés au niveau industriel pour les applications mémoires, il s’avère néanmoins nécessaire de travailler sur leur intégration dans des structures de petites dimensions tout en conservant leurs propriétés physiques uniques. Les premières études d’intégration lors d’une thèse précédente ont montré que les étapes de gravure et de stripping nécessitaient d’être optimisées pour éviter la dégradation des propriétés du matériau lors de la réalisation de structures photoniques.
Bien qu’indispensables à la maitrise du procédé, les mécanismes de gravure des verres chalcogénures sont relativement peu décrits dans la littérature, hormis pour le Ge2Sb2Te5 utilisés dans les mémoires à changement de phase. Cette thématique est de ce fait innovante et a une réelle valeur ajoutée. L’objectif de la thèse est donc d’étudier et de comprendre les mécanismes de gravure de verre de chalcogénures à base de GeSbSeTe afin de contrôler le profil et le dimensionnel des structures transférées. Le travail à réaliser présente une très forte dominante expérimentale et se déroulera principalement dans la salle blanche 300 mm du LETI. Le candidat aura accès à des couches minces de matériaux à l’état de l’art mondial, à un réacteur de gravure plasma de conception industrielle, ainsi qu’à de nombreux moyens de caractérisations. Cette thèse sera réalisée en collaboration avec le service dépôt du LETI et le département applicatif des dispositifs optoélectroniques (DOPT).

Contribution des interfaces métal semi-conducteur au fonctionnement des photodiodes infrarouge de dernière génération

Cette thèse concerne le domaine des détecteurs infrarouges refroidis utilisés pour les thématiques astrophysiques. Dans ce domaine, le DPFT/SMTP (Laboratoire Infrarouge) du CEA-LETI-MINATEC travaille en étroite collaboration avec Lynred, leader mondial dans la production de plans focaux infrarouge de haute performance. Dans ce cadre, le laboratoire infrarouge développe de nouvelles générations de détecteurs infrarouges pour répondre aux besoins des futurs produits.
L’un des axes de développement actuels concerne la qualité de l’interface métal semi-conducteur de type p. Ces développements sont portés par l’augmentation de la température de fonctionnement des détecteurs, ainsi que par les exigences de performances très fortes pour les applications spatiales.
L’enjeux de cette thèse est de contribuer à une meilleure connaissance des espèces chimiques présentes à l’interface d’intérêt en fonction de différents types de traitement de surface et de faire le lien avec les propriétés électriques du contact réalisé.
Le/a candidat/e intégrera le laboratoire infrarouge qui comprend la totalité de la filière de réalisation des détecteurs. Il/elle réalisera ces échantillons grâce aux moyens technologiques disponibles au sein de la salle blanche du LETI, en collaboration avec les experts de la filière. Il aura également accès aux outils de caractérisation nécessaires à l’étude (SIMS, XPS, AFM…) disponibles sur la plateforme de nano-caractérisation (PFNC) ou en salle blanche du CEA. Enfin, il/elle sera amené/e à participer à la caractérisation électro-optique du matériau, en collaboration avec le Laboratoire Imagerie infrarouge Refroidie (LIR) spécialisé dans la caractérisation fine du matériau actif.

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