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Conception et fabrication de composants à base d'alliage de GeSn pour la détection de gaz

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire des Capteurs Optiques

école d'ingénieur ou master en physique fondamentale, physique du solide, optique, optoélectronique ou photonique.

01-10-2020

SL-DRT-21-0315

vincent.reboud@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

L'un des principaux défis actuels de la photonique sur silicium est d'obtenir un laser intégré technologiquement compatible avec les fonderies de la microélectronique. Les lasers à semi-conducteurs traditionnels utilisent des semi-conducteurs III-V qui ne sont pas acceptés dans les fonderies de silicium, contrairement aux semi-conducteurs du groupe IV. Le CEA Grenoble fait partie des rares laboratoires à avoir déjà fait la démonstration du laser à pompage optique dans l'infrarouge moyen dans les semi-conducteurs du groupe IV, à la fois en Ge et GeSn. Avec des hétérostructures en GeSn relaxé ou sous contraintes en tension et des puits quantiques en alliages silicium-germanium-étain (Si) GeSn, nous ciblons aujourd'hui le laser continu à température ambiante et la réalisation de s photodétecteurs moyen infrarouge en 200 mm. Pour atteindre l'effet laser à température ambiante, il faut améliorer le gain optique et optimiser le confinement des porteurs. Les améliorations nécessiteront de nouvelles configurations de puits quantiques et de hétérojonctions en germanium étain, en jouant sur les compositions atomiques et la déformation mécanique à l'échelle microscopique. Comme pour les lasers que nous avons déjà obtenus, les nouvelles couches de GeSn (Si) seront épitaxiées en 200 mm au CEA Leti, puis traitées par le candidat au doctorat dans des salles blanches de plus petite échelle. Les développements réalisés pour les sources lasers seront utilisés pour la réalisation des photodétecteurs. La thèse se déroulera au sein du Département Optique et Photonique dans le Laboratoire de Capteur Optique, qui est un leader mondial dans le développement et la fabrication de composants photoniques Silicium (ou CMOS) pour la détection de gaz dans l'infra-rouge. Les objectifs de la recherche consisteront : (i) A réduire le nombre de défauts cristallins dans les régions de gain GeSn, (ii) à concevoir des empilements de GeSn (Si) efficaces qui confinent à la fois les électrons et les trous, tout en offrant un fort gain optique (iii) à appliquer et contrôler la contrainte en tension dans les couches d'étain au germanium (iv) à évaluer le gain optique sous pompage optique et injection électrique, à différentes contraintes et niveaux de dopage (v) à concevoir et fabriquer des cavités laser à fort confinement optique (vi) à obtenir des lasers du groupe IV à base de germanium qui soient accordables et qui lase en continu. (vii) à tester les composants fabriqués (sources et photodétecteurs) dans des cellules de détection de gaz À plus long terme, ces lasers seront largement utilisés dans les dispositifs miniaturisés omniprésents de faible puissance pour la détection optique de gaz et la surveillance de l'environnement. Ce travail impliquera des contacts avec des laboratoires étrangers travaillant sur le même sujet dynamique.

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Etude et Intégration de Transistor GaN Cascode Monolithique

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Composants Electroniques pour l'Energie

Niveau M2 avec spécialisation en physique et procédés de fabrication des composants de la microélectronique

01-10-2021

SL-DRT-21-0326

julien.buckley@cea.fr

Matériaux et procédés émergents pour les nanotechnologies et la microélectronique (.pdf)

Le LETI transfère actuellement une technologie de dispositifs de puissance AlGaN/GaN épitaxiés sur substrats Silicium 200mm avec un industriel reconnu dans le domaine du développement des composants de puissance (Silicium, SiC, ?). Les transistors de puissance à base de GaN peuvent avoir un fonctionnement de type normalement ouvert (dit à enrichissement) ou normalement fermé (dit à déplétion). Pour des raisons de sécurité il est souvent préféré d'employer des composants à enrichissement. Il existe trois principales méthodes pour obtenir ce type de dispositif : la réalisation d'une grille en GaN dopé type p, d'un canal de conduction inclus dans un empilement de type MOS (métal oxyde semi-conducteur) ou d'une architecture dite cascode (par assemblage d'un composant à enrichissement avec un composant à déplétion). L'architecture cascode pour les transistors à base de GaN connaît actuellement un grand succès de par la possibilité de piloter le dispositif avec des stratégies similaires aux dispositifs plus connus en silicium et du fait de son bon niveau fiabilité. Le travail de thèse consistera à mener une étude visant à dimensionner le composant, identifier les étapes technologiques (épitaxie, dépôt, lithographie, implantation?) nécessaires à sa fabrication puis à suivre et coordonner les actions nécessaires à sa réalisation en salle blanche. Une analyse et une interprétation des mesures électriques obtenues sera à mener en s'appuyant sur des simulations par éléments finis (TCAD avec outils Synopsys).

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Outils de diagnostic et de pronostic des onduleurs et modules PV par des approches machine-learning économes en moyens de calcul

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des Systèmes PV Appliqués

mathématiques ou science de l'ingénieur

01-09-2021

SL-DRT-21-0347

sylvain.lespinats@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

Contexte : Dans le contexte actuel de dérèglement climatique, la question de l'énergie est centrale aussi bien d'un point de vue sociétal que d'un point de vue politique ou économique. La production solaire, qui est une alternative renouvelable aux énergies carbonées, croit exponentiellement et il extrêmement probable que cette montée en puissance se poursuive dans les années qui viennent. Un des meilleurs moyens de faire baisser le coût financier et environnemental des centrales solaires est le diagnostic automatique qui permet de détecter et corriger les défaillances des centrales et ainsi augmenter leur rendement. Schématiquement, les centrales photovoltaïques sont constituées d'un assemblage de modules reliés à un onduleur. Les modules produisent du courant continu qui est transformé en courant alternatif par l'onduleur pour être transporté sur le réseau de distribution. Les défaillances et le vieillissement de ces deux équipements forment la principale source de défaillances non triviales. Par exemple, la durée de vie d'une centrale est généralement estimée à 20 ou 30 ans, alors que la durée de vie des onduleurs est approximativement de 10 ans. Il est très classique que le courant et la tension en amont et en aval de l'onduleur soient mesurées et suivies. Ces données sont en général complétées par des mesures météorologiques (irradiance et température en particulier). L'ensemble de ces données est cependant bien souvent sous-exploité. Dans le cas du comportement des modules, c'est entre autre lié au fait que les performances dépendent de différents facteurs très fortement corrélés (phénomènes journalier et saisonniers, conditions météos, position relative du soleil, interactions non-linéaires entre les différents modules, vieillissement continue, casse, etc). Dans le cas des onduleurs les difficultés sont majoritairement dues à la forte dépendance aux des conditions de fonctionnement et au niveau de bruit de la mesure largement supérieur au signal recherché (à l'image des problématiques rencontrées dans le cadre de la détection des ondes gravitationnelles par le projet LIGO). Objectif : Nous souhaitons prendre appuis sur ces données pour assurer un suivi plus fin des centrales photovoltaïques, diagnostiquer les défaillances et les anticiper. Pour cela, nous souhaitons nous appuyer sur, d'une part la très grande quantité de données, ce qui peut contrer le problème de signal sur bruit, et sur le machine-learning d'autre part pour isoler les différentes composantes explicatives. Dans un premier temps, les modules et onduleurs seront considérés séparément. Dans un second temps, nous considèrerons le système dans son ensemble. Par le passé, les laboratoire LSPV (CEA) et LAMA UMR 5127 (Université Savoie Mont Blanc) ont collaboré au développement de méthodes de réduction de dimensions. Ces méthodes (probablement à adapter) permettent d'explorer les jeux de données pour en extraire des comportements qui pourront être reliés aux modes de fonctionnement et des vieillissements variées. Cette étape permettra de définir des classes servant ensuite à la mise en place de méthodes de régression/classification. Ce travail de machine-learning devra permettre de proposer des outils de diagnostic suffisamment légers en coût de calcul pour être déployable sur les centrales. Profil souhaité : Nous cherchons un(e) étudiant(e) en mathématiques intéressé(e) par les applications dans le domaine de l'énergie renouvelable et de l'électronique ou un(e) étudiant(e) en sciences de l'ingénieur passionné(e) par les mathématiques. Une expérience en électronique n'est pas nécessaire, mais le candidat pourra être amené à faire des mesures en laboratoire sous la supervision d'électroniciens et de photovoltaïciens pour produire des données ou confirmer des comportements. Les outils utilisés pourront inclurent les méthodes de réduction de dimension, les statistiques (descriptifs et tests), l'analyse de séries temporelles, les SVM, les réseaux de neurones ou les méthodes tensorielles.

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Mémoires ferroélectriques ultra-basse consommation à base de HfO2 ferroélectrique: vers des matrices intégrables au noeud 28nm

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire de Composants Mémoires

01-10-2021

SL-DRT-21-0362

laurent.grenouillet@cea.fr

Nouveaux paradigmes de calculs, circuits et technologies, dont le quantique (.pdf)

La découverte récente des propriétés ferroélectriques du matériau HfO2 déposé en couches minces génère actuellement un intérêt très fort dans la communauté scientifique. En effet cette découverte ouvre la voie à l'intégration de mémoires non volatiles ultra faible consommation au sein de n?uds technologiques les plus avancés. Très récemment, des résultats très prometteurs ont été présentés par notre groupe sur l'intégration de capacités ferroélectriques à base de HfO2 (FeRAM) dans le Back-End de circuits CMOS 130nm. L'objectif de la thèse sera d'optimiser les performances mémoires de ces FeRAM (cyclabilité, fenêtre mémoire, temps d'écriture et de lecture, tenue en température), de les intégrer au sein de matrices, et de montrer qu'il est possible de réduire leur dimension afin de les intégrer dans des n?uds technologiques avancés (28nm FDSOI).

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Caractérisation avancée de recombinaison de porteurs sur structure HEMT AlGaN/GaN, comprehension de l'évolution des materiaux de l'épitaxie à la gravure

Département des Plateformes Technologiques (LETI)

Laboratoire Analyses de Surfaces et Interfaces

M1

01-09-2021

SL-DRT-21-0377

Lukasz.Borowik@cea.fr

Nano-caractérisation avancée (.pdf)

La présence d'un gaz d'électrons bi-dimensionnel (2DEG) dans les hétérostructures AlGaN/GaN permet de produire des transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) qui sont naturellement normally-ON. Cependant dans le domaine de l'électronique de puissance, il est nécessaire d'utiliser des transistors à accumulation (normally-OFF). C'est pourquoi le CEA-LETI développe des transistors AlGaN/GaN MOSchannel HEMTs où l'AlGaN/GaN est gravé sous la grille pour réduire ou supprimer le 2DEG et où le canal est contrôlé par la structure MOS (métal-oxyde-semiconducteur). Cette structure permet d'obtenir des tensions de seuil positives et donc des composants normally-OFF. Cependant, la gravure de l'AlGaN/GaN peut induire des défauts dans la structure cristalline (implantation d'ions de gravure, endommagement de la maille cristalline, lacunes). Il est donc critique de pouvoir identifier ces défauts pour optimiser les procédés de fabrication et donc la performance des transistors. Le travail de thèse sera basé sur : (1) Caractérisation des matériaux par cathodo-luminescence et KPFM : préparation d'échantillons, réalisation et interprétation des mesures en termes de recombinaisons radiatives et non radiatives, étude de différents empilements produits par épitaxie et de l'impact des procédés de gravure (2) Corrélation entre KPFM et CL pour une compréhension approfondie des phénomènes électroniques autour de la grille du transistor (3) Corrélation avec les performances électriques des transistors AlGaN/GaN Les équipements de cathodoluminescence et KPFM sous illumination sont situés sur la plateforme nano-caractérisation (PFNC) du LETI. L'acquisition d'un équipement de CL résolue en temps (TRCL) est également envisagée par la PFNC, qui pourrait être utilisé pour la troisième année de thèse.

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Techniques de focalisation en champ proche dans les milieux inhomogènes aux fréquences millimétriques

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Antennes, Propagation, Couplage Inductif

Master electrical engineering / hyperfréquences

01-10-2021

SL-DRT-21-0378

antonio.clemente@cea.fr

Réseaux de communication, internet des objets, radiofréquences et antennes (.pdf)

Dans des multiples applications telles que le transfert d'énergie sans fil, l'imagerie micro-ondes, le contrôle industriel, etc., il est nécessaire de former, diriger ou encore focaliser le rayonnement électromagnétique dans une région spécifique de l'espace. Cette région peut se situer dans l'environnement proche de la surface rayonnante qui a généré l'onde électromagnétique. Dans ce cas, on parle de système focalisant en champ proche. Avec le développement des futurs systèmes de communication de type « Beyond 5G » et 6G, la nécessité de focaliser le faisceau en champ proche peut aussi s'appliquer dans le cas des surfaces intelligentes reconfigurables. Ces dispositifs, si dotés d'éléments reconfigurables, peuvent être utilisés pour manipuler les ondes électromagnétiques et contrôler de manière dynamique les propriétés du canal de propagation. Enfin, la focalisation en champ proche peut aussi être un élément différentiant pour le développement des futurs systèmes d'imagerie médicale qui nécessitent de former et diriger l'énergie dans corps humain afin de diagnostiquer, suivre et / ou soigner des pathologies spécifiques. Dans ce contexte, la focalisation en champ proche peut être utilisée pour améliorer la résolution du système d'imagerie en optimisant le transfert / transmission d'énergie. Le premier objectif de cette thèse est de développer des outils de synthèse, de conception et d'optimisation de systèmes focalisants en champ proche en milieux non homogènes. Ces techniques seront développées en considérant les propriétés électromagnétiques des milieux. La synthèse du champ d'ouverture se fera à partir de l'expansion modale du champ et de la théorie des potentiels vecteurs. Après cette phase, les procédures de synthèse et d'optimisation développées seront utilisées pour concevoir un système focalisant en champ proche opérant aux fréquences millimétriques et / ou sub-THz (30 ? 300 GHz). Ces antennes seront fabriquées et caractérisées en chambre anéchoïque. Des simulations système et / ou des mesures seront aussi faite pour analyser l'impact du système focalisant en champ proche.

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