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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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Sources de temps optomécaniques

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Composants Micro-Capteurs

Le/la candidat/e sera en possession d'un Master 2/ Ecole d'ingénieur généraliste ou physique appliquée ; formation en nanotechnologies, optique ou télécom, physique des semi-conducteurs.

01-09-2021

SL-DRT-21-0351

marc.sansaperna@cea.fr

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

Les sources de temps (reference oscillators) sont des composants qui génèrent un signal à une fréquence très précise, habituellement à partir de la vibration d'un élément mécanique en résonance. Ces dispositifs sont aujourd'hui utilisés dans la grande majorité des circuits électroniques : un smartphone ou tablette, par exemple, peut contenir jusqu'à sept sources de temps. Cependant, l'arrivée de nouvelles technologies comme la 5G, les systèmes de conduite autonome dans les voitures ou bien certaines applications aérospatiales nécessitent des performances qui ne sont pas atteignables avec les technologies commercialement disponibles. Ainsi, le développement de sources de temps constituées de résonateurs micromécaniques (MEMS) en silicium à haute fréquence (1 ? 5 GHz aujourd'hui, plusieurs dizaines de GHz dans le futur) constitue une rupture technologique prometteuse. Cependant, la réalisation de tels dispositifs performants dans la gamme du GHz reste un défi, principalement dû à la difficulté de détecter avec précision des vibrations extrêmement faibles. Il s'agit donc d'utiliser ici une transduction optomécanique sur le même principe que les détecteurs d'ondes gravitationnelles, mais intégrée à l'échelle nanométrique ayant des sensibilités de détection extrêmes. Cette technique maintenant bien maîtrisée au Leti pourra être alliée à l'utilisation de matériaux piezoélectriques pour augmenter le signal disponible : des preuves de principe de ce concept ont été réalisées très récemment pour la recherche fondamentale mais il n'a jamais été appliquée jusqu'ici. Cette technologie semble pourtant le candidat idéal pour réaliser l'objectif de la thèse: l'implémentation d'une source de temps MEMS basée sur cette technologie optomécanique de rupture. La thèse se déroulera au laboratoire de micro-capteurs du CEA-Leti, en collaboration avec le laboratoire de composants radiofréquences. Le Leti est un pionnier dans le domaine de l'optomécanique et des matériaux piezoélectriques intégrés sur puce. Le doctorant travaillera en collaboration avec les équipes du Leti pour concevoir et dessiner le résonateur et son procédé de fabrication, sur la base de modèles analytiques et de simulations éléments finis. Ensuite, elle/il aura la possibilité de fabriquer ses dispositifs en salle blanche, et de les tester dans les laboratoires du Leti, afin de réaliser pour la première fois un tel démonstrateur. Le/la candidat/e sera en possession d'un Master 2/ Ecole d'ingénieur généraliste ou physique appliquée ; formation en nanotechnologies, optique ou télécom, physique des semi-conducteurs.

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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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Amélioration du désassemblage par canaux auxilaires

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Sécurité des Objets et des Systèmes Physiques

Bac +5 Informatique ou Mathématique

01-09-2021

SL-DRT-21-0375

thomas.hiscock@cea.fr

Cybersécurité : hardware et software (.pdf)

Le désassemblage par canaux auxiliaires (ou Side Channel Based Disassembling, SCBD) consiste à retrouver le code exécuté par un microprocesseur à partir de phénomènes physiques produits par le circuit lors de son fonctionnement. La consommation de courant ou encore le rayonnement électro-magnétique sont particulièrement faciles à mesurer et très exploitables par ce type d'attaques. Avoir une fine caractérisation de ce type d'attaques est essentiel pour sécuriser les systèmes, notamment contre de la rétro-conception. Le laboratoire LSOSP est très actif sur le sujet et a notamment proposé une technique de reconstruction mono-bit très efficace sur des petit microcontrôleurs. L'objectif de cette thèse est de contribuer à l'amélioration des techniques de désassemblage par canaux auxiliaires. Nous chercherons notamment à prouver si ce type d'attaques peuvent être applicables à des processeurs plus complexes, comme ceux que l'on peut trouver sur un téléphone. Au cours de la thèse, nous chercherons donc à étudier finement les fuites de c?urs complexes et adapter des outils du machine learning pour extraire des informations à partir de mesures extrêmement bruitées. Au bout des trois ans, nous espérons avoir une meilleur vue de la faisabilité du désassemblage sur des c?urs complexes et également des réflexions sur des contremesures qu'il serait possible d'utiliser.

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