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Étude de la fiabilité des photo-détecteurs à avalanche 3D

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire de Caractérisation et Test Electrique

microelectronique , optronique

01-10-2020

SL-DRT-21-0830

jean.coignus@cea.fr

Photonique, imageurs et écrans (.pdf)

STMicroelectronics développe de nombreuses technologies CMOS destinées à l'imagerie. L'essor et la démocratisation des capteurs d'image entrainent une diversification des usages technologiques tels que l'imagerie à haute résolution et la télémétrie à usage domestique et pour l'automobile. Un des enjeux est de répondre aux besoins du marché et de s'adapter à la concurrence en améliorant sans cesse les performances et la fiabilité des dispositifs. L'objectif de cette thèse est d'étudier et de modéliser la fiabilité des photodétecteurs à avalanche pour la détection de photon unitaire. Le principe de ce capteur réside dans la capacité à mesurer le temps de transit entre une source optique et le détecteur, de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres tout en étant insensible à la lumière environnante. Une matrice constituée de milliers de pixel permet de restituer une image 3D fidèle de la cible. A ce jour, de premiers essais montrent que le détecteur se dégrade au cours du temps, conduisant en une perte de sensibilité et en la dégradation de la précision de mesure. Quantifier ces effets et comprendre ces dérives est absolument nécessaire pour améliorer le procéder de fabrication et développer un modèle prédictif de fiabilité. La thèse se focalisera à part égale entre la fiabilité d'un pixel unitaire et la fiabilité d'une matrice de pixels, ceci pour se rapprocher de la fiabilité produit. Le candidat s'appuiera un ensemble d'outils de caractérisation, de mesure de la fiabilité, ainsi que sur des outils de modélisation et simulation développés chez STMicroelectronics.

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Développement de couches diélectriques sur cellule SHJ en vue d'améliorer la performance, la durabilité et la dépendance aux éléments rares

Département des Technologies Solaires (LITEN)

Laboratoire des Procédés pour Cellules Hétérojonction

Bac +5 master / école d'ingénieur matériau, opto-microélectronique

01-10-2021

SL-DRT-21-0833

jordi.veirman@cea.fr

Energie solaire pour la transition énergétique (.pdf)

La technologie de cellules solaires à Hétérojonction de silicium (en anglais, HJT) est particulièrement attractive du fait des rendements de conversion record sur silicium en configuration simple jonction (> 26% en laboratoire). Néanmoins, l'architecture HJT standard nécessite de l'indium en quantité non négligeable dans les couches d'Oxyde Transparent Conducteur (OTC), utilisées notamment comme antireflets. Or, l'indium est listé comme matériau critique et un risque d'approvisionnement à long terme est à craindre. Afin que ce risque ne constitue pas un frein à l'essor de la technologie HJT à l'échelle industrielle, il est nécessaire de développer des procédés HJT limitant/supprimant le recours à l'indium. Dans ce contexte, le travail s'attachera à étudier les propriétés de cellules HJT innovantes, pour lesquelles on aura intentionnellement diminué les quantités d'oxyde d'indium déposées. Pour pallier les pertes optiques entraînées par cette diminution, l'ajout d'une couche diélectrique sera effectué à la surface du dispositif, constituant ainsi une structure bicouche. Grâce à son faible coût, à ses propriétés barrière, et à l'excellent couplage optique OTC/diélectrique, cette structure bicouche a le potentiel, en plus de réduire la dépendance aux éléments rares, de permettre une augmentation du rendement ainsi qu'une amélioration de la durabilité des dispositifs. Sur le plan pratique, le/la candidat(e) s'attachera dans un premier temps à déterminer par simulation les propriétés optiques optimales pour les couches d'OTC et diélectriques, en incluant les matériaux composant le module photovoltaïque. Ces simulations permettront de guider les développements expérimentaux, qui se focaliseront notamment sur l'interaction chimique entre OTC et diélectrique. L'objectif global sera d'identifier un/plusieurs procédé(s) prometteurs tolérant une forte réduction de l'utilisation d'indium tout en étant compatible avec une haute performance à l'échelle du module (rendement et durabilité).

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Circuit intégré pour l'ajustement électromécanique de la dynamique de dispositifs MEMS

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Gestion de l'Energie, Capteurs et Actionneurs

Nous recherchons un étudiant diplômé de Master 2 ou Ecole d'ingénieur avec un profil « électronique analogique » et/ou « microélectronique », motivé à appréhender un sujet à cheval entre circuit et composant alliant mécatronique, conception de circuits.

01-09-2021

SL-DRT-21-0837

gael.pillonnet@cea.fr

Systèmes cyberphysiques - capteurs et actionneurs (.pdf)

Au cours de sa thèse, le doctorant aura à explorer et à évaluer les possibilités d'ajustement par effet de couplage électromécanique entre un dispositif MEMS et son interface électrique. Pour évaluer divers dispositifs, l'étudiant aura accès à des caractérisations électriques et des modélisations préliminaires de différents MEMS développés dans les salles blanches de notre institut de recherche, notamment les dispositifs dits PMUT. Le doctorant pourra également s'inspirer de techniques d'ajustement déjà éprouvées par notre équipe de recherche sur des résonateurs macroscopiques à transduction. Une revue de l'état de l'art international et les contraintes industrielles glanées dans notre environnement collaboratif industrie/recherche permettront également de positionner habillement notre recherche. Le doctorant sera en charge de choisir un niveau de modélisation et de mettre en place un environnement de simulation permettant de prédire les performances de diverses techniques d'ajustement sur l'ensemble de la chaine (du dispositif au circuit). Il prédira notamment l'impact de l'application de champs électriques et/ou magnétiques par l'intermédiaire de tension et courant fournis par l'interface électrique sur différents dispositifs. Par exemple, il combinera de façon avantageuse les concepts d'inversion de charges dans un matériau piézoélectrique, la mise en court-circuit ou circuit-ouvert notamment, pour émuler des charges électriques actives et réactives, qui moduleront la raideur et la masse intrinsèques du résonateur mécanique. Il pourra proposer la modification des dispositifs MEMS (ajout d'électrodes, géométrie maximisant le couplage, matériaux plus adaptés) en collaboration avec des technologues pour explorer une co-optimisation dispositif/circuit la plus adaptée, au moins au niveau simulation. L'aspect de l'auto-ajustement de ces techniques sera également abordé. En fonction des résultats, une ou plusieurs techniques seront identifiés pour leurs pertinences. Elles feront l'objet d'une implémentation en circuit intégré en technologie CMOS. Le doctorant aura en charge la spécification de l'ensemble des sous-blocs constituant la technique (détecteur de tension, étage de commutation, amplificateur?) et réalisera la conception « au niveau transistor ». Le circuit sera fabriqué par un sous-traitant sur une technologie CMOS à maturité industrielle. L'étudiant concevra la carte, conduira les caractérisations électriques du circuit et mettra en ?uvre l'assemblage MEMS/circuit pour prouver expérimentalement l'intérêt des techniques sélectionnées. Le déroulement de la thèse suit un schéma en boucles itératives d'apprentissage (matériau, composant, circuit, caractérisation électrique, modélisation), dont le nombre d'itération sera fonction de l'avancement du travail du candidat sur trois ans, de la fabrication des échantillons, et de l'évolution des dispositifs en salle blanche. Des dispositifs macroscopiques, s'approchant des propriétés des dispositifs MEMS visés en premier ressort, pourront être envisagés pour arriver à une expérimentation couplant dispositif et circuit. Le point de départ sera construit autour de la génération actuelle de composants MEMS pour étendre les caractérisations et construire un macro-modèle qui permettra d'explorer différentes topologies de circuits d'interface. Le doctorant développera ses compétences en conception de circuits intégrés (approximativement 50%), en mécatronique (30%) et en procédé microélectronique (20%) dans un schéma de thèse de conception de circuit proche du dispositif à contrôler. Il sera intégré dans un laboratoire spécialisé en intégration d'interfaces capteurs. Il devra présenter un excellent niveau scolaire et avoir des notions en électronique analogique. La connaissance des procédés microélectroniques et des outils de conception de circuits intégrés seraient des atouts. Enfin, il présentera une bonne capacité de travail personnel, un goût prononcé pour le travail en équipe, et une motivation pour les challenges techniques.

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Prédiction de la durée de vie des électrolyseurs PEM par modélisation multi-physique

Département de l'Electricité et de l'Hydrogène pour les Transports (LITEN)

Laboratoire Modélisation multi-échelle et suivi Performance

Ecole ingénieur/master électrochimime, modélisation multi-physique

01-10-2021

SL-DRT-21-0838

pascal.schott@cea.fr

Solutions avancées pour l?hydrogène et les piles à combustible pour la transition énergétique (.pdf)

La diminution du coût des électrolyseurs PEM reste encore un des principaux objectifs pour atteindre une commercialisation importante de cette nouvelle technologie pour la transition énergétique (production d'hydrogène décarboné). La fabrication des assemblages membrane électrode (AME) doit également être optimisé pour atteindre des larges volumes de fabrication avec une haute qualité. Le NREL (National Renewable Energy Laboratory), optimise les matériaux et design des électrolyseurs pour augmenter la durée de vie. L'évaluation de ces améliorations est très difficile car la durée de vie de 80000 heures est peu compatible avec des campagnes de tests expérimentaux. L'utilisation de modèle multi-physique et de simulation numérique est nécessaire pour comprendre, évaluer et prédire les performances et durée de vie des électrolyseurs. L'objectif de cette thèse est d'améliorer la compréhension et la prédiction de la durée de vie sur des électrolyseurs PEM. La plateforme MUSES de modélisation multiphysique et multiéchelle du CEA sera couplée à des analyses sur la base de données des essais expérimentaux du NREL. En particulier les points suivant seront adressés par simulation : ? Analyse statistique des données expérimentales du NREL pour corréler les mécanismes de dégradation au conditions opératoires ; ? Développement des modèles de dégradation de catalyseur et de la membrane, à partir de modèles existant au CEA ; ? Validation des modèles de vieillissement sur des données expérimentales dédiées ? Proposition de cycles de dégradation accélérés pour les électrolyseurs PEM La thèse sera localisée au CEA Grenoble, avec plusieurs missions de plusieurs mois au NREL, au Colarado USA, à prévoir.

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Au-delà de Shannon avec les communications sémantiques pour les réseaux et services 6G

Département Systèmes (LETI)

Laboratoire Sans fils Haut Débit

M2 Profil télécom, computer science et mathématiques appliquées

01-06-2021

SL-DRT-21-0844

emilio.calvanese-strinati@cea.fr

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

Les communications mobiles du futur seront caractérisées par une disponibilité de connexion omniprésente, des réseaux très denses en termes d'utilisateurs et de points d'accès, une latence ultra faible, une bande très large et une bonne efficacité énergétique. La révolution des futures réseaux 6G sera rendue possible par des innovations technologiques de pointe, concernant les communications radio en ondes millimétriques, l'architecture bande de base et RF, la virtualisation des ressources, ainsi que l'inclusion native de l'intelligence artificielle. Dans les travaux de thèse proposés, le candidat cherchera des solutions innovantes pour appliquer les concepts très récentes de communication sémantique et de communication avec but aux futures réseaux et services 6G, et donc aller au-delà du mantra de Shannon. Le travail se concentrera sur la conception d'algorithmes pour une implémentation proactive et dynamique des communications sémantiques permettant de maximiser l'efficacité de bout en bout de l'allocation des ressources. Des techniques d'apprentissage distribué seront investiguées et proposées.

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Conception de circuits intégrés pour la gestion de l'énergie

Département Composants Silicium (LETI)

Laboratoire Gestion de l'Energie, Capteurs et Actionneurs

Master 2 ou Ingénieur en "électronique", spécialité "circuits intégrés"

01-09-2021

SL-DRT-21-0846

alexandre.giry@cea.fr

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

L'arrivée de nouvelles techniques de modulation pour les nouvelles générations de standard de communication sans-fil (5G/6G, WiFi6/7,?) entraînent une augmentation du facteur de crête et de la rapidité du signal de transmission radiofréquence. Afin de garantir une puissance émise avec une distorsion maitrisée, un amplificateur de puissance radiofréquence de type « linéaire » pilote l'antenne. Mais, celui-ci présente un rendement énergétique qui diminue drastiquement avec l'introduction de ces nouveaux standards car il dépend au 1er ordre du facteur de crête du signal. Ce rendement est une performance prioritaire dans les systèmes à stockage d'énergie contrainte, comme le téléphone portable. Depuis plusieurs années, cet amplificateur est accompagné d'un convertisseur DC-DC qui gère le niveau de son alimentation. Il a pour objectif de moduler la tension d'alimentation afin de réduire les pertes énergétiques dans l'amplificateur de puissance radiofréquence. Malgré la perte apportée par l'alimentation, la consommation globale du système alimentation/amplificateur est diminuée. Cependant, les nouvelles contraintes de modulation dans les nouveaux standards (facteur de crête, dynamique, puissance?) rendent ces architectures d'alimentation « compagnon » peu efficaces. La topologie de l'alimentation et son couplage à l'amplificateur doivent être revus pour proposer des solutions de gestion de l'énergie efficaces, compactes et rapides. Le sujet de thèse se rapporte à cette problématique : comment envisager des alimentations dynamiques et efficaces pour des amplificateurs de puissance radiofréquences à forte efficacité énergétique dans le cadre de modulations rapides et à forte dynamique ? Le cadre normatif des applications mobiles 5G/6G permettra d'encadrer les objectifs quantitatifs. Les ordres de grandeurs sont les suivants : quelques Watt en puissance, quelques volts en tension d'alimentation, une dizaine de décibels en facteur de crête, quelques centaines de MHz de bande passante, quelques mm2 de circuits, et un recours parcimonieux aux composants externe au circuit intégré. Le doctorat aura notamment en charge l'exploration de diverses topologies de convertisseur DC-DC pour la modulation d'enveloppe de l'alimentation de l'amplificateur de puissance radiofréquence, notamment en bénéficiant des approches massivement entrelacées permises dans un contexte d'intégration Silicium. La vitesse de modulation d'enveloppe, tout en gardant un rendement de conversion élevé, sera étudiée par l'introduction d'architecture hybride, mixant régulateur linéaire et convertisseur à découpage, inspirée de l'état de l'art. La boucle de contrôle générant de multiples chemins de puissance sera également une clef nécessaire pour atteindre les spécifications électriques ambitieuses du système complet. Afin de bénéficier d'un avantage comparatif, le doctorant complétera, par une étude théorique, l'apport de composants passifs sur Silicium développés dans les salles blanches du Léti. Le doctorant aura aussi à prendre en compte l'évolution des normes, des technologies de circuits intégrées et des passifs, de leur encapsulation sur la durée de la thèse, à participer de façon indirect à des projets à visé applicative et commerciale, à élaborer des stratégies de tests électriques.

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