Missions

La gestion de l'énergie constitue l'un des plus importants défis que notre société va devoir relever au cours du XXIe siècle. C'est précisément sur ce défi que se positionnent les activités de recherche du projet proposé qui vise une gestion optimale de l'énergie dans de nombreux marchés. Dans ce contexte, la conception de nouveaux interrupteurs de puissance qui doivent gérer cette énergie est indispensable : il convient de minimiser les pertes, d'assurer une meilleure gestion de l'énergie électrique en améliorant les caractéristiques intrinsèques des composants à semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite tels que le GaN sont les candidats adéquats pour répondre à ce nouveau défi.
Les travaux concernent de nouveaux procédés de fabrication d'architectures de transistors à haute mobilité (High Electron Mobility Transistor — HEMT —) en Nitrure de Gallium (GaN) présentant la fonctionnalité « normally-off ».
L'inconvénient actuel et majeur des HEMTs conventionnels est que leur blocage se fait à des tensions négatives ; c'est ce que l'on appelle un composant normally-on (« normalement fermé ») : ces interrupteurs HEMTs conventionnels sont conducteurs même lorsque la tension de commande (tension de grille) est nulle. Or, de nombreuses applications de puissance requièrent l'utilisation d'interrupteurs normally-off (« normalement ouverts »), c'est-à-dire des interrupteurs ouverts lorsque leur tension de commande est nulle.
Plusieurs structures de HEMT en GaN ont été proposées dans la littérature afin de satisfaire à la fonctionnalité normally-off.
Dans ce projet, nous proposons donc, dans un premier temps, de concevoir des composants de puissance GaN HEMTs normally-off en se basant sur une nouvelle approche 3D qui devrait éviter de dégrader le gaz bidimensionnel et ainsi préserver les performances de ces composants, puis, dans un second temps, de concevoir, réaliser et caractériser une cellule de commutation à base de ces nouveaux interrupteurs normally-off en GaN qui seront intégrés monolithiquement sur la même puce de silicium.

Activités

Les travaux envisagés comportent 3 grandes phases :
1) Simulations physiques à éléments finis afin de définir la meilleure structure HEMT en GaN susceptible de présenter la fonctionnalité normally-off désirée, puis optimisation des paramètres géométriques et technologiques de la structure choisie.
2) Réalisation technologique de la structure dans la plateforme technologique du LAAS-CNRS avec l'aide de partenaires fournisseurs de plaques de GaN (le CRHEA-CNRS, partenaire privilégié du LAAS-CNRS depuis 10 ans dans ce domaine).
3) Réalisation technologique d'une cellule de commutation à base de ces nouveaux interrupteurs GaN HEMTs normally-off qui seront intégrés monolithiquement sur la même puce de silicium.

Compétences

Les compétences attendues pour ce poste sont les suivantes :
1) Connaissances solides en physique du semi-conducteur ;
2) Maîtrise des logiciels de simulation à éléments finis de composants semi-conducteurs (SYNOPSYS-SENTAURUS et/ou SILVACO) ;
3) Expérience importante en procédés technologiques en micro-électronique (salle blanche).

Contexte de travail

Les travaux se feront au Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS-CNRS) fondé en 1968 et situé à Toulouse, Région Occitanie. Le LAAS-CNRS est une unité propre du CNRS rattachée à l'Institut des sciences de l'ingénierie et des systèmes (INSIS) et à l'Institut des sciences de l'information et de leurs interactions (INS2I). Les recherches menées au LAAS-CNRS visent à une compréhension fondamentale des systèmes complexes tout en considérant l'usage qui peut en découler.
Plus précisément, les travaux s'effectueront dans l'équipe "Intégration des Systèmes de Gestion de l'Énergie" (ISGE), équipe de recherche internationalement reconnue dans le domaine des composants et des circuits intégrés de puissance (participation aux conférences de haut niveau dans le domaine de la puissance ainsi qu'aux comités de sélection et d'organisation de ces conférences, collaboration avec des industriels européens et américains, …).

Contraintes et risques

Une partie des travaux sera effectuée dans la plateforme technologique du LAAS-CNRS, plateforme qui fait partie du réseau national des 7 plateformes RTB (recherche technologique de base) Renatech et pilote le réseau GSO-Tech des plateformes technologiques du Grand Sud-Ouest. Depuis avril 2007, elle bénéficie d'une salle blanche de 1500 m2 de classes 10.000 et 100.