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Défis technologiques >> Photonique, imageurs et écrans
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Matériaux chalcogénures innovants pour les applications en photonique: impact des procédés d'intégration et des interfaces sur leurs propriétés optiques

Département des Plateformes Technologiques (LETI)

Laboratoire

Matériaux, Optique, Physique du Solide, Electromagnétisme, Chimie

01-10-2020

SL-DRT-20-0549

pierre.noe@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Les matériaux chalcogénures sont des matériaux de choix pour de nombreuse applications émergentes en microélectronique ou pour les capteurs optiques: photonique dans le MIR, photonique NL, le neuromorphique photonique, capteurs MIR mais également les sélecteurs OTS pour les nouvelles mémoires résistives 3D. L'objectif de cette thèse est d'étudier et de maîtriser l'impact des procédés d'intégration, des matériaux d'encapsulation & des interfaces sur les propriétés optiques de ces matériaux chalcogénures dépôsés en couches minces pour permettre la réalisation future de dispositifs photoniques ultra-performants. Dans ce cadre, l'étudiant réalisera des objets et structures photoniques à base de matériaux chalcogénures à l'aide des outils classiques d'intégration de microélectronique disponibles sur la plateforme 200/300 mm du LETI tels que le dépôt par pulvérisation cathodique, la lithographie optique et électronique, la gravure plasma ... Les interfaces et les structures photoniques obtenues seront tout d'abord caractérisées à l'aide des outils de caractérisation de couches minces (AFM, XPS, FTIR, Raman, XRD, XRR, ellipsométrie/réflectivité en température ...) disponibles sur la plateforme de nano-caractérisation du CEA Grenoble (PFNC). Les propriétés optiques (pertes de propagation, facteur de qualité Q de cavités optiques, non linéarités optiques, déphasage optique, ...) des objets photoniques (guides d'onde, interféromètres, déphaseurs, anneaux résonnants, structures non linéaires ...) seront caractérisés sur les bancs de mesure de photonique intégrée du LETI ainsi qu'à l'Université de Bourgogne à Dijon. Ce travail devrait permettre à l'issue de la thèse de développer des dispositifs photoniques performants et de dépasser l'état de l'art en exploitant au mieux les propriétés optiques uniques de ces nouveaux matériaux. Cela passera par une grande maîtrise de l'élaboration de ces matériaux et de leur intégration avec un contrôle aux échelles nanométriques par technique de lithographie/gravure avec un accent particulier sur la maîtrise de leurs interfaces (impact gravure, encapsulations, passivation états électroniques de surface, intérêt de l'élaboration d'hétérostructures ?).

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Caractérisations des défauts électroniques dans les cristaux pérovskites utilisés pour l'imagerie X médicale

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire Architecture Systèmes Photoniques

Master II ou ingénieur en physique des matériaux

01-09-2020

SL-DRT-20-0690

eric.grosdaillon@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Le laboratoire architecture des systèmes photoniques fait partie du département optronique CEA LETI. Il a une solide expertise dans le développement de nouveaux modules de détection RX comprenant un détecteur semi-conducteur ou scintillateur associé à une électronique de lecture pour l'imagerie par rayons X ou gamma dans les domaines de l'imagerie médicale ou du contrôle pour la sécurité. L'objectif de cette thèse est d'étudier les niveaux de pièges dans la bande interdite d'un nouveau matériau semi-conducteur à base de pérovskites pour la détection directe des rayons X développé pour la radiographie médicale. Son 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 réduire la dose administrée au patient, voire de donner accès à de nouvelles informations sur la composition des tissus. Pour cela, le doctorant, physicien et expérimentateur, devra développer des bancs de test pour identifier et caractériser les niveaux de pièges électroniques dans le volume des cristaux et aux interfaces des dispositifs détecteurs. Il déterminera qualitativement et quantitativement les défauts électroniques des couches cristallines épaisses élaborées dans le cadre d'un doctorat au CEA LITEN. En particulier, le doctorant modélisera l'effet des niveaux pièges identifiés, sur les performances des dispositifs. En parallèle, le doctorant étudiera l'origine du courant d'obscurité dans les dispositifs pérovskites. Les résultats seront corrélés aves les mesures expérimentales de caractérisations des dispositifs photodétecteurs sous X réalisées dans le cadre d'un doctorat en cours au CEA LETI. Ces résultats permettront d'orienter les développements matériaux et des dispositifs dans le but de minimiser ces défauts et d'améliorer les performances des détecteurs.

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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-20-0776

vincent.reboud@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Au sein du Département Optique et Photonique, le Laboratoire de Capteur Optique 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. La photonique sur silicium avec des circuits intégrés CMOS offre des capacités en rupture. Ces circuits optiques donnent la possibilité de mesurer l'environnement extérieur tout en permettant une miniaturisation à l'échelle micrométrique. Aucune source lumineuse intégrée CMOS n'existe actuellement malgré les énormes efforts de la communauté depuis plusieurs années. Afin de contourner ces lacunes, l'industrie aujourd'hui développe des solutions de rechanges comprenant le collage de matériaux III-V. De nombreux défis existent pour réaliser l'hybridation hétérogène de lasers III-V afin de fournir des lasers pour la plateforme photonique silicium moyen infra-rouge. D'autres voies à base de Germanium sont en train d'émerger suite aux premières démonstrations de l'effet laser. Ces nouvelles voies pourront mener à la création d'une plateforme photonique Germanium/Silicium compatible CMOS. Dans ce cadre, les équipes du CEA font actuellement partis des quelques leaders mondiaux ayant démontré un effet laser à basse température dans des cavités optiques en GeSn à très forte concentration de Sn. L'enjeu actuel est maintenant d'améliorer la qualité des matériaux, d'induire des contraintes dans ces matériaux pour contrôler leurs diagrammes de bandes afin d'augmenter la plage en température de fonctionnement laser, d'injecter et de confiner efficacement les porteurs dans les hétérostructures. Les composants développés pourraient être dédiés à des applications dans le domaine des capteurs infrarouges et dans le domaine des communications optiques sur puces pour permettre de dépasser les limitations des interconnections métalliques entre, par exemple, processeurs / mémoires.

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Diodes verticales suspendues pour la détection LWIR

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire d'Imagerie thermique et THz

Physique du semiconducteur, physique des matériaux, microélectronique

01-09-2020

SL-DRT-20-0856

patrick.leduc@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Les détecteurs thermiques non refroidis absorbent le flux infrarouge pour des longueurs d'onde de 7µm à 14µm. Cette bande spectrale correspond à une fenêtre de transmission atmosphérique et au maximum d'émission d'un corps noir à 300K, ce qui permet de mesurer des variations de température inférieures à 100mK dans la scène imagée. Le principe de fonctionnement des microbolomètres repose sur la mesure de température d'une membrane suspendue absorbant le flux infrarouge. Le transducteur thermique est l'élément sensible du microbolomètre qui détermine son rapport signal sur bruit et donc la performance du pixel bolométrique. Ces dernières années, la miniaturisation des technologies de microbolomètres a permis d'atteindre des tailles de pixels de 12µm et s'est accompagnée d'une réduction du cout de fabrication. Cependant la technologie actuelle atteint ses limites et permet difficilement de réduire la taille du pixel. L'objet de la thèse est l'étude d'une technologie en rupture pour la fabrication des microbolomètres. Contrairement aux filières classiques, qui utilisent des thermsistors pour la transduction thermique, on se propose d'évaluer une filière originale à base de diodes verticales suspendues. Le sujet portera sur la caractérisation et la modélisation des performances d'un tel dispositif.

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Développement de détecteurs de photons uniques supraconducteurs et de circuits de réception pour les communications quantiques

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire d'Intégration Photonique sur Silicium

Master 2 ou école d'ingénieur physique,electronique, photonique

01-10-2020

SL-DRT-20-0859

segolene.olivier@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Le traitement quantique de l'information devient un enjeu majeur pour notre société avec le développement d'ordinateurs quantiques, capables de résoudre des problèmes complexes bien plus rapidement qu'un ordinateur classique, et de communications quantiques offrant une sécurité absolue, non vulnérable à la puissance de calcul. Le développement de technologies intégrées est essentiel pour pouvoir déployer des systèmes quantiques compacts et à faible coût à grande échelle. Le CEA-Leti a développé depuis plusieurs années une plateforme de photonique sur silicium permettant de fabriquer des composants et circuits intégrés pour des applications diverses comme les telecom/datacom, les lidars et plus récemment les communications quantiques. L'objectif de cette thèse est dans un premier temps de concevoir, fabriquer en salle blanche et caractériser une nouvelle génération de détecteurs quantiques supraconducteurs intégrés sur silicium, capables de détecter des photons uniques avec une efficacité supérieure à 90%. Dans un second temps, ces détecteurs seront ensuite intégrés dans des circuits de communications quantiques sécurisées. Cette thèse bénéficiera de collaborations avec des laboratoires de recherche fondamentale en France et en Europe.

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Module d'imagerie 3D à optique intégrée

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire Architecture Systèmes Photoniques

Master 2 physique, photonique, électronique

01-10-2020

SL-DRT-20-0876

laurent.frey@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

La capture d'images de distance, ou 3D sensing, est une fonction clé dans de nombreux domaines applicatifs émergents tels que la reconnaissance faciale, la réalité augmentée, la robotique ou les drones. Le CEA ambitionne de développer un nouveau module de « 3D sensing », inspiré du Lidar, et intégrant plusieurs composants innovants à partir de la source lumineuse cohérente jusqu'au photo-détecteur. La thèse proposée portera sur la définition d'une architecture d'optique intégrée couplée à un système optique d'imagerie, la simulation optique avec logiciel de calcul interne ou commercial, la réalisation en salle blanche micro-électronique, la caractérisation électro-optique des composants individuels, la mise en place d'algorithmes de traitement du signal et des images, et la preuve de concept du système complet, dans la perspective de sa miniaturisation et intégration par exemple dans un smartphone. Le travail se déroulera en étroite collaboration avec une équipe de recherche qui mettra au point au préalable une première version du système en espace libre. Un transfert industriel est envisagé au terme des développements.

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Etude et évaluation d'un dispositifs FD-SOI fonctionnalisé pour l'imagerie IR non refroidie

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire d'Imagerie thermique et THz

diplome d'ingénieur ou de Master 2 en physique des semiconducteurs et dispositifs microélectroniques

01-10-2020

SL-DRT-20-0893

jyon@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

La technologie des détecteurs infrarouge (IR) non refroidis (microbolomètres) a ouvert le domaine de l'imagerie thermique à de nouvelles applications, aide à la conduite automobile, automatisme des bâtiments connectés, loisirs, smartphone. Ces nouvelles applications sont appelées à se développer rapidement pour s'ouvrir aux marchés de grand volume. Développée au CEA-LETI, cette technologie a été transférée à la société LYNRED (LYNRED, by SOFRADIR & ULIS, www.lynred.com) en charge de son industrialisation. Les nouveaux besoins exprimés exigent cependant que la technologie s'améliore par des développements en rupture, notamment pour réduire le pas du pixel jusqu'à 5µm, taille ultime fixée par la diffraction du rayonnement IR. C'est le cadre de cette thèse qui porte sur l'étude d'un micro-transducteur thermique MOS intégré sur film FD-SOI, dont on attend des performances en rupture au regard de la technologie actuelle à base de thermistors. Le travail de recherche couvre des études d'architecture d'un micro-capteur sur silicium, la réalisation d'un prototype sur la plateforme 200mm du Leti et le test des dispositifs réalisés. Il s'agit plus précisément d'imaginer et de réaliser un dispositif en rupture qui se démarque d'un classique MOS-FET élémentaire, par exemple sous la forme d'un détecteur actif combinant plusieurs composants élémentaires, voire d'un détecteur intelligent qui adapterait ses caractéristiques de détection de manière autonome. A l'issue des 3 ans, le doctorant aura débouché sur une évaluation approfondie d'un dispositif innovant pour l'imagerie IR non refroidie.

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Holographie digitale dans le Moyen-Infrarouge

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire des Capteurs Optiques

Master 2 optique, optronique, physique

01-10-2020

SL-DRT-20-0900

mathieu.dupoy@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Dans un contexte où les demandes d'outils d'analyses non-invasifs sont croissantes, les techniques optiques de détection et d'identification connaissent un succès grandissant. La spectrométrie infrarouge est une technique de référence pour déterminer la composition chimique d'un échantillon. Nous avons développé au laboratoire une technique d'imagerie multi-spectrale infrarouge permettant de donner une information spectrale résolue spatialement. L'information donnée est basée uniquement sur l'absorption de la lumière Mid-IR incidente. L'objectif de la thèse est d'explorer les potentialités de l'holographie digital Mid-IR afin d'obtenir des informations sur la phase de l'échantillon. La thèse visera à choisir la meilleure configuration optique d'interféromètre, puis de la mettre en oeuvre en optique conventionnelle. Après avoir traité les images et extrait l'information, un second travail sera de réaliser cette fonction sur un composant en optique intégré.

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Modèles de Champ de Phase et évolution des interfaces aux états initiaux de la croissance cristalline

Département d'Optronique (LETI)

Laboratoire des Matériaux pour la photonique

Master 2 mathématiques appliquées à la physique

01-10-2020

SL-DRT-20-0924

marc.parent@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

La recherche proposée concerne la modélisation de la physique de la croissance cristalline impliquée dans le « Vertical Gradient Freeze » (VGF), une méthode qui permet la fabrication de gros lingots pour l'industrie des semi-conducteurs. Dans ce procédé, le matériau est fondu puis se solidifie à mesure que la température diminue lentement avec des profils de température contrôlés spatialement, afin de favoriser l'orientation et la faible densité de défauts du cristal résultant. L'un des principaux objectifs de ce projet est de concevoir des modèles numériques qui pourraient fournir une description précise de l'évolution de l'interface liquide-solide dans un alliage II-VI aux premiers stades de la croissance cristalline, afin de comprendre comment on pourrait contrôler l'évolution de l'état thermique du système et améliorer la qualité de la cristallisation. En particulier, une approche basée sur des approximations de champ de phase du front de solidification sera développée. D'un point de vue numérique, une telle représentation du front devrait permettre une modélisation plus robuste de la topologie et des changements de phase, tout en fournissant un aperçu des relations pertinentes entre les échelles mésoscopique et macroscopique. Les objectifs expérimentaux et industriels sous-jacents sont également d'aider les scientifiques à analyser les signaux observables du processus et à déterminer les conditions optimales à mettre en place pour obtenir les propriétés souhaitées du matériau.

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Nouveaux matériaux scintillants nanostructurés pour le développement de contaminamètres hautes performances (sensibilité et discrimination).

Département Métrologie Instrumentation et Information (LIST)

Laboratoire Capteurs et Architectures Electroniques

Chimie et physico-chimie des polymeres, nanomateriaux

01-10-2020

SL-DRT-20-1006

vesna.simic@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

Le sujet propose de développer des détecteurs de rayonnements ionisants en rupture technologique avec les dispositifs existants. Il met à profit les progrès récents en nanostructuration et nanophotonique pour contrôler et amplifier l'émission spontanée des matériaux radioluminescents (effet PURCELL) classiquement utilisés dans ces dispositifs, ouvrant la voie vers des détecteurs plus performants, ayant un meilleur rapport signal/bruit, une sensibilité accrue aux basses énergies et de meilleures performances de discrimination en particulier en ambiance gamma importante. Cette approche originale nécessite toutefois de structurer le matériau en profondeur, typiquement sur une profondeur de l'ordre de la longueur de pénétration du rayonnement ionisant dans le matériau. Les structures résonantes type sont des réseaux 2D de nano-piliers et nano-trous, de pas et de diamètre de l'ordre de 200 nm. Ces nanostructures sont aujourd'hui réalisables grâce aux progrès récents en nanostructuration des polymères, avec toutefois un verrou technologique à lever, celui de la gravure sur une profondeur suffisante et sur de grandes surfaces. Un autre point à améliorer concerne l'indice optique des matériaux classiquement synthétisés, qui reste trop bas pour obtenir les effets visés. L'incorporation de nanomatériaux d'indice optique plus élevé est une approche prometteuse qui a déjà fait ses preuves. Parmi les nanoparticules envisagées pour réaliser ce dopage nous nous intéresserons plus particulièrement aux nanodiamants qui présentent un indice de réfraction élevé (2.4), une bonne transparence dans le visible et une chimie de surface qui se prête à de nombreuses voies de fonctionnalisation. L'objectif de cette thèse concerne donc la synthèse de ces nouveaux matériaux hybrides carbone-carbone, leur nanostructuration et leurs caractérisations photophysique et radiophysique en vue de leur intégration dans de nouveaux prototypes fonctionnels de détecteur de contamination bêta aux performances améliorées en termes de sensibilité et de sélectivité. Ce sujet de recherche pourra s'appuyer sur les premiers résultats obtenus dans le cadre d'un projet ANR nommé DECISIoN (financement AAP ANR 2017) qui réunit les Laboratoires Capteurs et Architectures Electroniques (LCAE) et Capteurs Diamants (LCD) du CEA LIST, basés à Saclay, le Laboratoire Lumière, Nanomatériaux et Nanotechnologies (L2n) de l'Université Technologique de Troyes (UTT, CNRS EPL 7004), l'industriel NAPA Technologies (Archamps, Haute-Savoie) et le Service Départemental d'Incendie et de Secours de l'Essonne (SDIS91). Ce projet propose in fine la réalisation d'un prototype fonctionnel de détection et de mesure de contamination bêta en ambiance gamma importante et fluctuante.

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