L'impact des défauts intrinsèques et extrinsèques sur le Ron dynamique et sur off-state courants de fuite des transistors latéraux à base de GaN pour la puissance

Le dopage intentionnel de transistors latéraux à haute mobilité électronique (HEMT) de puissance GaN avec des impuretés de carbone (C) est une technique courante pour réduire la conductivité du buffer et augmenter le claquage de tension. Cependant, cela se fait au prix d'une augmentation des défauts intrinsèques ainsi que d'une dégradation de la résistance dynamique (Ron) et d'effets d'effondrement du courant.
Le but de ce projet est de comparer les performances de dispositifs HEMT contenant différentes quantités de défauts extrinsèques (tels que les atomes de C) et de défauts intrinsèques (tels que les dislocations), en fonction des conditions de croissance pour guider vers une structure buffer optimisée avec une bonne dynamique de Ron et faible fuite verticale simultanément.

Cartographie de la polarisation électrique dans des dispositifs ferroélectriques à l’échelle nanométrique

Les matériaux ferroélectriques, avec leur forte constante diélectrique et leur polarisation spontanée, font l'objet de recherches intenses en microélectronique. La polarisation est un paramètre essentiel pour ces matériaux alors que sa caractérisation reste majoritairement limitée à l’échelle macroscopique par des méthodes électriques classiques. Pour approfondir la compréhension de ces matériaux, en particulier en couches minces, et créer de nouveaux dispositifs, des mesures locales sont indispensables. Ce projet de thèse vise à développer une nouvelle méthodologie pour cartographier directement la polarisation dans des dispositifs à l'échelle nanométrique. En combinant l'expertise des équipes du SPEC dans la croissance de matériaux en couches minces et du C2N dans la nanostructuration et les mesures électriques, nous allons élaborer et concevoir une géométrie particulière de nanostructures permettant d’utiliser en particulier l'holographie électronique operando (collaboration avec le CEMES-CNRS, ANR POLARYS) pour cartographier quantitativement le potentiel électrique local dans les nanodispositifs lors de l'application d'une tension.

Expérimentation haut débit appliquée aux matériaux pour batteries

Utilisée depuis de nombreuses années dans le domaine de la pharmacie, l’expérimentation ou criblage haut débit (high throughput screening) apparait comme une méthode efficace pour conduire à la découverte accélérée de matériaux et comme un nouvel outil permettant d’élucider les relations composition-structure-propriétés fonctionnelles. Cette méthode est basée sur la synthèse combinatoire rapide d’un grand nombre d’échantillons de compositions différentes, combinée des caractérisations physico-chimiques rapides et automatisées par différentes techniques. Elle est utilement complétée par un traitement de données adapté.
Une méthodologie de ce type adaptée aux matériaux pour batteries lithium a été mise en place récemment au CEA Tech. Elle est basée d’une part sur la synthèse combinatoire de matériaux synthétisés par co-pulvérisation cathodique magnétron sous forme de couches minces, et d’autre part sur la réalisation de cartographies d’épaisseur (profilométrie), de composition élémentaire (EDS, LIBS), de structure (µ-DRX, Raman) et de propriétés électr(ochim)iques de bibliothèques de matériaux (~100) déposés sur un wafer. Une première phase a permis de mettre en place les principaux outils au travers de l’étude d’électrolytes solides amorphes de type Li(Si,P)ON pour batteries tout solide.
L’objectif de cette thèse est de poursuivre le développement de la méthode de manière à permettre l’étude de nouvelles classes de matériaux pour batteries : électrolytes cristallins ou vitrocéramiques pour Li ou Na, matériaux d’électrode oxydes, sulfures ou alliages métalliques. Il s’agira en particulier de tirer parti de nos nouveaux équipements de cartographie des propriétés physico-chimiques (µ-diffraction X, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) et d’établir une méthodologie de fabrication et de caractérisation de bibliothèques d’accumulateurs tout-solide en couches minces. Une partie de ce travail pourra également concerner le traitement des données et la programmation des moyens de caractérisation.
Ce travail sera l’objet de collaborations avec des chercheurs de l’ICMCB et du CENBG

Modélisation et optimisation des transistors à base de matériaux 2D : couplage des simulations ab initio et TCAD

Les transistors à effet de champ utilisant des matériaux 2D semblent prometteurs en raison de leur bonne mobilité et de leur finesse atomique. Cependant, cette technologie doit surmonter plusieurs défis, notamment la réduction des résistances des contacts, le contrôle de la variabilité et l'optimisation des transistors à canaux courts (< 10 nm).
Le CEA-Leti a une forte activité expérimentale sur cette thématique de recherche. Un effort important a également été initié en simulation numérique, aussi bien à l’échelle du dispositif (TCAD) qu’à l’échelle atomique (simulation ab initio) pour accompagner le développement de cette technologie.

Le présent sujet de thèse s’inscrit dans cette dynamique et consiste à évaluer les performances des transistors à base de matériaux 2D en fonction des paramètres technologiques à l'aide de simulations multi-physiques qui permettront d’optimiser les performances de ces dispositifs avant leur fabrication. Les options technologiques (matériaux, géométrie) n’étant pas encore figées, le doctorant pourra explorer des axes innovants. Une partie de la thèse sera consacrée au couplage des simulations TCAD avec les calculs ab initio pour fournir une compréhension détaillée et fondamentale des caractéristiques structurales et électroniques du dispositif à l'échelle atomique.

Le laboratoire bénéficie d’un accès à des supercalculateurs et au différents logiciels nécessaires au projet (Sentaurus, VASP, GPAW, ..). Le doctorant pourra s’appuyer sur l’expertise de l’équipe dans les différentes techniques de simulation et sur les échanges réguliers avec les expérimentateurs.
Ce projet de thèse permettra de développer des compétences larges en simulation des dispositifs électroniques. Le doctorant présentera ses résultats dans des conférences et revues internationales.

Solveur Intégrodifférentiel HPC Parallèle pour la Dynamique des Dislocations

Contexte : La compréhension du comportement des métaux à forts taux de déformation [4] (entre 104 et 108 s-1) représente un défi scientifique et technologique considérable. Cette déformation irréversible (plastique) est due à la présence de défauts linéaires d'alignement cristallin : les dislocations, qui interagissent via le champ élastique à longue portée et par interactions de contact.
Actuellement, le comportement des métaux à forts taux de déformation ne sont accessibles expérimentalement que par chocs laser. D’où la nécessité d’un outil de simulation. Deux grands types d’approches sont possibles : la dynamique moléculaire, et les simulations élastodynamiques. Cette thèse s’inscrit dans le second type d’approche, capitalisant sur nos travaux récents [1, 2] qui ont permis les premières simulations numériques de l’équation de Peierls-Nabarro Dynamique (PND) [5]. Celle-ci décrit des phénomènes intervenant à l’échelle de la dislocation.
PND est une équation intégrodifférentielle non-linéaire qui présente une double difficulté : la non-localité en temps et en espace des opérateurs. Nous l’avons simulée pour la première fois grâce à une stratégie numérique efficace [1], issue de [6]. Mais la nature mono-processeur de son implantation actuelle constitue un verrou, limitant fortement la taille du système et l’étude de son comportement en temps long.

Sujet de thèse : Les objectifs de cette thèse sont de deux natures :
- Numérique. Sur la base algorithmique développée dans [1], implémenter un solveur HPC (Calcul Haute Performance) parallélisé en espace et en temps, avec mémoire distribuée.
- Physique. Grâce au code développé, éclaircir des points cruciaux relatifs à la phénoménologie des dislocations en régime dynamique rapide. L’exploitation des résultats numériques requerra des techniques de traitement de données et de statistiques - potentiellement assistées par de l’IA.
En fonction de l’avancement, il sera possible d’appliquer la méthode numérique développée aux phénomènes de fissuration dynamique [3].

Profil du candidat : Le sujet de thèse proposé est pluridisciplinaire, à la croisée des chemins entre simulation numérique, physique des dislocations et de la propagation de fissures, et traitement statistique. Le candidat devra d’abord posséder une solide formation en calcul scientifique appliqué aux équations aux dérivées partielles et un gout prononcé pour les applications physiques. La maîtrise du C++, avec des compétences en OpenMP et MPI seraient fortement appréciées. Des connaissances en mécanique des milieux continus seraient aussi vu comme un plus.
La thèse se déroulera au CEA/DES/IRESNE/DEC à Cadarache, avec des déplacements réguliers en région parisienne pour la collaboration avec le CEA/DAM et le CEA/DRF.

[1] Pellegrini, Josien, Shock-driven motion and self-organization of dislocations in the dynamical Peierls model, soumis.
[2] Josien, Etude mathématique et numérique de quelques modèles multi-échelles issus de la mécanique des matériaux. Thèse. (2018).
[3] Geubelle, Rice. J. of the Mech. and Phys. of Sol., 43(11), 1791-1824. (1995).
[4] Remington et coll., Metall. Mat. Trans. A 35, 2587 (2004).
[5] Pellegrini, Phys. Rev. B, 81, 2, 024101, (2010).
[6] Lubich & Schädle. SIAM J. on Sci. Comp. 24(1), 161-182. (2002).

Pérovskites semi-conductrices pour le futur de la radiographie médicale : analyse expérimentale du dopage et lien avec les performances électrooptiques

La radiographie est la modalité d’imagerie médicale la plus utilisée pour la détection de pathologies, le suivi de leur évolution et pendant certaines interventions chirurgicales.
L’objectif de cette thèse est d’étudier un nouveau matériau semi-conducteur à base de pérovskites pour la détection directe des rayons X. Leur utilisation sous forme de dispositifs photoconducteurs dans les imageurs matriciels devrait permettre d’améliorer la résolution spatiale des images et d’augmenter le signal, donc de mieux traiter les patients. Les prototypes imageurs X fabriqués au CEA permettent d’obtenir des radiographies avec une meilleure résolution spatiale que les systèmes actuels, mais le matériau détecteur doit encore être amélioré.
Pour cela, le doctorant, physicien et expérimentateur, devra étudier les propriétés de transport des porteurs de charges dans ces couches. Il analysera ensuite l’effet du dopage intrinsèque (oxygène, humidité) et extrinsèque des couches sur le courant d’obscurité, le photocourant, et la stabilité électrique des dispositifs. Les résultats de cette thèse permettront de comprendre finement les mécanismes responsables des performances des imageurs X à base de CsPbBr3.

Vous êtes titulaire d’un master 2 ou un diplôme d’ingénieur, dans le domaine de la physique ou des matériaux. Vous devrez faire preuve à la fois d'une bonne compréhension de la physique des semi-conducteurs et de qualités pratiques d'expérimentateur. Le sujet s’adresse à un candidat rigoureux, dynamique et avec de bonnes aptitudes relationnelles.

Visualisation des mécanismes d'incorporation de dopants dans des semi-conducteurs fortement dopés à l'aide de combinaisons de techniques (S)TEM haute résolution

Contexte : Il existe un besoin en spécimens semi-conducteurs très fortement dopés pour le développement continu de dispositifs CMOS Si/Ge et pour le dopage de matériaux III-V où l'énergie d'ionisation conduit à une faible concentration de porteurs. Afin de fournir ces spécimens hautement dopés, de nouvelles méthodes de croissance et d’implantation sont nécessaires. Ceux-ci doivent être mieux compris et caractérisés avec une résolution à l’échelle nm.
Sujet proposé : Nous combinerons diverses techniques de microscope électronique à transmission (S)TEM (à balayage), telles que l'holographie électronique, la diffraction électronique à précession, la spectroscopie et l'imagerie haute résolution sur le même spécimen. Des techniques avancées de traitement des données seront développées afin de combiner les différentes cartes pour fournir des informations sur la concentration totale de dopants, la quantité de dopants sur les sites de substitution et les concentrations de dopants actifs. Ce travail fournira une méthodologie pour évaluer l'efficacité des différents processus utilisés pour le dopage dans la recherche avancée sur les CMOS. Cela inclut le FD-SOI 10 nm et moins, la source et les drains surélevés et intégrés, Si:P, SiGe:B, basse température/Coolcube.

Fonctionnalité multi-niveau dans les couches minces ferroélectriques à base de HfO2 pour des applications de logique et de mémoire à l’edge

La transition numérique vers une économie plus attractive et plus soutenable s’appuie sur la recherche sur les technologies digitales du futur.

Grâce à sa non-volatilité, sa compatibilité CMOS et à son potentiel de mise à l’échelle et d’intégration 3D, les technologies émergentes de mémoires et de logique basées ferroélectricité dans le HfO2 constituent une révolution d’un point de vue applicatif. Par exemple, par rapport aux technologies Flash, résistive ou changement de phase, les mémoires ferroélectriques sont intrinsèquement de basse consommation d’énergie.

Le dispositif au cœur du projet est le FeFET-2 qui consiste en un condensateur ferroélectrique en série avec la grille d’un transistor CMOS. Ces dispositifs combinent d’excellentes métriques d’endurance, consommation d’énergie, rétention et la plasticité d’une réponse quasi-analogue.

Le travail de thèse utilisera les techniques de caractérisation avancée, notamment la spectroscopie et la microscopie en photoémission pour établir les liens entre les propriétés des matériaux et les performances électriques de FeCAPs.

Des expériences operando en fonction du nombre de cycles et de tensions électriques appliquées et duration des pulses permettront d’explorer les corrélations entre la cinétique de l’évolution des propriétés matérielles et la réponse électrique des dispositifs.
Le travail de thèse se déroulera en étroite collaboration avec NaMLab (Dresde) et CEA-LETI (Grenoble).

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.

Stabilisation de dispositifs photovoltaïques Pérovskite par passivation avec des matériaux type Metal-Organic Frameworks

Les MOFs sont un type de matériaux poreux hybrides organiques-inorganiques avec des propriétés intéressantes du point de vue de la passivation des défauts de la pérovskite et de sa stabilité, notamment lumineuse. Par exemple :
• Effet direct des composants du MOF comme agents de passivation : Les ions métalliques et ligands organiques peuvent passiver des défauts à l’interface MOF/PK.
• Effet de « downconversion » du rayonnement incident : Certains métaux (comme l’europium) ou ligands (avec groupes aromatiques) peuvent absorber les rayonnements de haute énergie (violet / UV proche typiquement), puis réémettre cette énergie sous forme de rayonnement de moindre énergie ou la transmettre directement de manière non radiative à la pérovskite par résonance Förster (ou FRET). Ceci permet de protéger la pérovskite des photons de haute énergie, donc a priori d’améliorer la stabilité lumineuse, avec peu de pertes énergie.
Le travail de thèse concernera :
• l’intégration de MOF dans la couche pérovskite, en traitement de surface ou mélange de suspensions (à noter qu’un travail de stage préalable permettra de définir les voies les plus prometteuse dans le cadre de la thèse)
• Les études matériaux (notamment études avancées par XPS et UPS)
• La réalisation de dispositifs simple jonction puis tandem avec sous cellule silicium
• L’étude de durée de vie sous illumination (continue, cyclage) avec caractérisations associées (mesure électriques, photoluminescence, etc..)

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