Résonateurs acoustiques exploitant des modes isolés topologiquement
Les références de temps sont des fonctions critiques pour les systèmes électroniques. Elles permettent en effet la synchronisation des signaux, que ce soit à l'échelle d'une puce ou lors de transfert de données sans fil. Ces références de temps sont basées sur des oscillateurs délivrant une fréquence la plus stable possible. La référence en la matière restent les résonateurs à quartz, qui sont néanmoins volumineux et ne peuvent donc pas être intégrés dans une puce. La recherche cherche donc à l'heure actuelle toujours à miniaturiser des résonateurs capables de fournir des coefficients de qualité élevés (> 10,000), idéalement à des fréquences de plusieurs GHz. Une des contraintes est d'être capable de confiner les vibrations dans des structures microniques afin de les rendre insensibles aux perturbations extérieures. Récemment est apparu le domaine de l'acoustique topologique, qui a permis de démontrer que des ondes élastiques pouvaient être confinées dans de très petits volumes, à l'interface entre des structures périodiques, et que des coefficients de qualité très élevés ont pu être atteints.
Cette thèse porte sur l'exploitation de modes ainsi protégés topologiquement dans des microstructures piézoélectriques, en vue de démontrer de nouveaux types de résonateurs possédant des coefficients de qualité élevés, pouvant trouver des applications aussi bien dans des oscillateurs que dans des systèmes de capteurs ou dans des circuits de filtres. Le candidat pourra tirer parti du savoir faire du CEA Leti dans la conception et la fabrication de résonateurs piézoélectriques. La thèse s'inscrit dans le contexte d'une collaboration internationale avec des laboratoires académiques renommés dans le sujet (Politecnico di Milano, Imperial College, Institut FEMTO-ST), ainsi qu'avec des partenaires industriels.
Le candidat s'intéressera à la modélisation et à la conception de structures dans lesquelles des modes isolés topologiquement peuvent exister, en combinant des modélisations par éléments finis et des modèles numériques approchés, mais plus simples à exploiter systématiquement. Il sera en charge de fabriquer des démonstrateurs, en lien avec les plateformes technologiques du CEA-Leti et des équipes dédiés à l'intégration et à la fabrication. Enfin, il assurera le test et l'évaluation des objets réalisés.
Réinventer les micros haut parleurs : des limites planaires aux géométries 3D pour des haut parleurs à modulation ultrasonore
Vous recherchez un doctorat à la croisée de l'acoustique, des microsystèmes et de l'innovation ? Ce projet est peut-être fait pour vous. Ce doctorat porte sur la conception, la fabrication et la validation expérimentale d'un concept innovant de microhaut-parleur MEMS basé sur la démodulation ultrasonique. Les microtransducteurs conventionnels sont confrontés à une limitation majeure : ils nécessitent de grandes surfaces planes pour déplacer suffisamment d'air à basse fréquence, ce qui entraîne une augmentation de leur taille et donc des coûts de fabrication. Ce projet explore une architecture alternative utilisant des structures à lames verticales, exploitant la troisième dimension ainsi que la démodulation ultrasonique pour améliorer l'efficacité électroacoustique tout en réduisant l'encombrement de l'appareil.
S'appuyant sur des travaux exploratoires préliminaires, l'objectif du doctorat est de développer un démonstrateur complet de haut-parleur MEMS. Les travaux comprendront la modélisation physique, la simulation multiphysique, l'optimisation de la conception des dispositifs, le développement de processus de microfabrication et la caractérisation électroacoustique expérimentale.
Le candidat concevra et simulera l'architecture du dispositif et contribuera à la définition du procédé de fabrication en étroite collaboration avec des spécialistes en microfabrication. Les travaux de doctorat comprendront également la caractérisation acoustique et électrique des dispositifs fabriqués afin de valider les concepts proposés et de comparer les résultats expérimentaux avec les prévisions de modélisation. Le doctorat se déroulera dans un environnement multidisciplinaire, donnant accès à une expertise en acoustique, en conception MEMS, en microfabrication et en mesure électroacoustique.
Mesure en temps réel des paramètres du plasma de bord en vue de l’optimisation des performances du tokamak WEST
Le contrôle des flux de chaleur au bord du plasma, et en particulier dans le divertor, un volume dédié où sont focalisés ces flux, est un enjeu majeur des recherches sur la fusion par confinement magnétique. Dans les futurs démonstrateurs, les flux de chaleur devront être dissipés par rayonnement pour diminuer la puissance conduite dans le divertor. Toutefois, la fenêtre opérationnelle de ces régimes à fort rayonnement est assez étroite et nécessite un contrôle précis du plasma de bord. Le premier objectif de la thèse est de mettre au point une mesure en temps réel de la densité et de température du plasma de bord à partir des données fournies par le diagnostic de diffusion Thomson. En tirant profit d’une large base de données expérimentales et de simulations réalisées avec des outils de modélisation du plasma de bord et des interactions plasma/paroi, l’étudiant développera ensuite des méta-modèles pour élaborer un algorithme de contrôle temps réel pour les scénarios sur WEST en particulier les plasmas fortement rayonnants. Ce développement reposera sur une itération continue entre les simulations, les observations expérimentales et les besoins de performance du point de vue contrôle temps réel. Cette thèse s'inscrit dans un cadre collaboratif impliquant des universités françaises et des collaborations internationales, avec une forte visibilité scientifique attendue.
Résilience des plasmas de fusion en environnement métallique, de WEST à ITER
La fusion nucléaire par confinement magnétique constitue une option attractive pour contribuer au mix énergétique futur, et le projet ITER concrétisera dans la décennie à venir une nouvelle étape dans le développement scientifique et technologique de cette filière en produisant plus d’énergie de fusion que d’énergie déposée dans le plasma pour le maintenir en régime de combustion. Mais dans une centrale à fusion, le mur de la chambre de combustion sera soumis à de fortes contraintes thermiques, neutroniques, et devra en outre limiter le piégeage des isotopes de l’hydrogène utilisés pour la réaction nucléaire. Le matériau considéré comme le meilleur compromis est le tungstène, un métal dont la température de fusion élevée et l’absence d’affinité chimique avec l’hydrogène sont les principaux atouts. Son numéro atomique élevé le rend cependant fortement rayonnant dans le plasma où se produisent les réactions, au détriment du confinement de l’énergie et des performances. Il est donc crucial de bien comprendre, à la fois sur les machines actuelles et par la simulation sur ITER, quels impacts ont les inévitables poussières de tungstène (observées sur le tokamak WEST) sur le transport turbulent, la stabilité magnéto-hydro-dynamique, et au final sur la réalisation d’un scénario viable pour la fusion nucléaire. Ces aspects formeront les jalons du projet de thèse, combinant l’analyse expérimentale sur WEST au CEA et sa validation par des simulations intégrant tous les aspects pertinents, et la projection à la situation sur ITER. Ce travail se fera en collaboration avec ITER, l’UKAEA (Royaume-Uni) pour le code de simulation, le CNR-Milan pour le code de trajectoire des poussières de tungstène, et les équipes du CEA à l’IRFM.
Apprentissage informé par la physique pour les problèmes inverses acoustiques : reconstruction de champs, détection et analyse de détectabilité en environnements complexes
Cette thèse vise à développer un cadre mathématique et algorithmique pour la résolution de problèmes inverses acoustiques en environnements complexes, fondé sur l’apprentissage informé par la physique. En intégrant explicitement l’équation des ondes dans des architectures d’intelligence artificielle, l’objectif est d’améliorer la reconstruction de champs acoustiques à partir de mesures partielles, la localisation de sources mobiles et l’analyse quantitative de leur détectabilité. Le projet combine modélisation des équations aux dérivées partielles, optimisation contrainte et apprentissage profond hybride. Les applications concernent les systèmes de perception acoustique distribuée et la détection de plateformes mobiles.
Fiabilité et propriétés dynamiques des MOS-HEMT GaN : impact de la barrière enterrée et du type de substrat.
L'expansion rapide de l'IA et de l'informatique en nuage a placé des exigences sans précédent sur l'infrastructure des centres de données, où l'efficacité énergétique est désormais une contrainte définissante. Malgré leur potentiel, de nombreux systèmes de puissance reposent encore sur des dispositifs à base de silicium, qui souffrent de limitations intrinsèques d'efficacité entraînant des pertes d'énergie significatives. Les transistors à haute mobilité électronique GaN (GaN HEMTs), grâce à leur mobilité électronique supérieure et à leur tension de claquage élevée, représentent une alternative convaincante, capable d'atteindre des efficacités bien plus élevées dans la conversion de puissance. Cependant, leur adoption plus large est limitée par des défis de fiabilité, en particulier ceux liés aux mécanismes de piégeage de charge qui dégradent les performances du dispositif au fil du temps.
Dans ce projet de thèse, vous allez explorer les dynamiques fondamentales des porteurs de charge dans les GaN HEMTs, en vous concentrant sur les origines physiques des dérives de la résistance à l'état passant et de la tension de seuil - indicateurs clés de l'instabilité du dispositif. En analysant systématiquement le comportement électrique de ces transistors dans diverses conditions de fonctionnement, vous allez découvrir les mécanismes derrière leur dégradation et identifier des voies pour améliorer leur robustesse. Vos découvertes informeront directement l'optimisation des architectures de dispositifs, permettant le développement d'électroniques de puissance plus efficaces et fiables qui peuvent répondre aux exigences des centres de données modernes et au-delà.
Vous ferez partie d'une équipe de recherche multidisciplinaire au CEA-Leti, collaborant avec des experts en ingénierie des matériaux semiconducteurs, simulation de dispositifs et caractérisation électrique. Cet environnement vous fournira un ensemble de compétences complet, couvrant l'ingénierie de processus, les tests électriques avancés et les simulations TCAD. Cette position ne fera pas seulement évoluer votre expertise, mais vous placera également à l'avant-garde d'un domaine à impact mondial. En contribuant à l'avancement des GaN HEMTs, vous jouerez un rôle clé dans la définition de l'avenir de l'électronique de puissance - où l'innovation se traduit directement par des solutions technologiques durables.
Amplificateur faible bruit (LNA) en technologie SiGe HBT pour applications cryogéniques : conception, caractérisation et optimisation
La course pour construire un ordinateur quantique s'intensifie ! Ces systèmes de pointe fonctionnent à des températures inférieures à 4 K pour préserver les états quantiques essentiels au calcul. Pour assurer un contrôle et une détection efficaces, les circuits électroniques conventionnels doivent fonctionner de manière fiable à des températures cryogéniques, à proximité immédiate du processeur quantique, réduisant ainsi la complexité des câblages et améliorant les performances. Au-delà de l'informatique quantique, d'autres domaines—tels que l'exploration spatiale, le calcul haute performance ou la physique des hautes énergies—nécessitent également des circuits capables de fonctionner en dessous de 100 K.
Au cours de cette thèse, vous effectuerez la caractérisation et la modélisation électriques en radiofréquence (RF) de transistors bipolaires à hétérojonction silicium-germanium (SiGe HBT) dans un environnement cryogénique, contribuant à une meilleure compréhension de leur comportement et optimisant leur potentiel pour des applications dans des conditions extrêmes. Les objectifs sont doubles :
1. Caractérisation et modélisation électriques en RF :
• Réaliser des mesures électriques en RF de SiGe HBT à température cryogénique.
• Développer des modèles précis pour décrire leur comportement dans des environnements cryogéniques.
2. Optimisation des amplificateurs à faible bruit (LNA) :
• Étudier le comportement à basse température des dispositifs passifs et actifs individuels composant un LNA.
• Optimiser la conception de ces LNAs pour des applications cryogéniques.
Etude du stress mécanique dans les micro-batterie tout solide
Le CEA-Leti fournit des solutions intégrées de microstockage, notamment des microbatteries dites « tout-solide » (ou à électrolyte solide). Les microbatteries « tout-solide » comptent parmi les technologies de microstockage les plus prometteuses pour des applications dans plusieurs domaines tels que l'Internet des objets et les dispositifs implantables à usage médical. L'objectif de cette thèse est d'étudier l'impact des contraintes mécaniques sur les microbatteries, et plus particulièrement pendant les cycles de charge/décharge des microbatteries. Pour cela, deux approches seront envisagées : l'étude expérimentale avec le développement de bancs d'essais mécaniques et la simulation numérique.
Le travail du doctorant commencera par le développement des bancs d'essais, le premier permettant d'appliquer une pression variable à la surface d'une micro-batterie pendant les cycles de charge/décharge. Il/elle devra développer l'équipement de mesure de la pression. Une fois le banc d'essai mécanique fonctionnel, d’autres caractérisations, comme la mesure des déformations de l’anode seront envisagées. Parallèlement à ce travail expérimental, un modèle mécanique pourra être développé. Ce modèle sera affiné progressivement à l'aide des résultats expérimentaux obtenus avec le banc de test mécanique et de nouvelles caractérisations pourront être mises en place afin d'obtenir les propriétés mécaniques des différents matériaux utilisés. In fine, l’objectif sera de proposer l’intégration de nouvelles couches pour améliorer la tenue mécanique des microbatteries lors du cyclage.
Vers l’amélioration des microbatteries tout-solide : stabilisation des interfaces et atténuation de la dégradation pour une fiabilité à long terme
Ce projet de thèse se concentre sur l'avancement des microbatteries tout solides pour des applications de stockage d'énergie miniaturisées, telles que les appareils électroniques portables, les systèmes IoT et les technologies médicales implantables. La recherche vise à stabiliser et atténuer la dégradation aux interfaces électrode/électrolyte, qui sont des goulots d'étranglement critiques dans la performance des microbatteries à l'état solide. Le projet implique deux axes de recherche principaux : (1) l'étude et l'optimisation de films ultra-minces (de l'échelle sub-nanométrique à nanométrique déposés par ALD) pour l'ingénierie des interfaces dans les empilements LiCoO2/LiPON/Li, et (2) une investigation fondamentale des mécanismes responsables de la dégradation des interfaces. L'étude impliquera la fabrication et la caractérisation d'empilements partiels et complets en utilisant des techniques telles que la voltammétrie cyclique (CV), la spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), la diffraction des rayons X (XRD) et la microscopie électronique à balayage (SEM). L'incorporation de métaux d'alliage (par exemple, Ag, Au) entre la couche tampon et le lithium sera également explorée pour améliorer la stabilité de l'interface métal-lithium. Les résultats attendus incluent un empilement de microbatteries optimisé capable de dépasser 1 000 cycles avec une augmentation minimale de la résistance interfaciale et un cadre complet décrivant les mécanismes de dégradation et les effets des couches tampons.
Le collage de puces à plaque: des mécanismes physiques à l'élaboration de puces fines empilables
Le collage direct de puce sur des plaques est devenu depuis quelques années un axe de développement majeure en microélectronique et au cœur de nombreux projet du LETI aussi bien en photonique sur silicium que pour les applications 3D impliquant du collage hybride.
De par leur taille réduite, le collage de puces permet d’étudier les effet de bords du collage direct et de mettre en œuvre de nouveau process de collage direct pouvant éclairer de façon original les mécanismes du collage direct déjà bien étudié au LETI. D’un point de vue plus technologique, l’élaboration de puces fines empilables sera aussi une clé technologique très intéressante pour de nombreuses applications. Elle se présente comme une alternative astucieuse aux procédés damascènes classiques pour palier les difficultés liées à la planarisation de surfaces à faible densité de fortes topographies.