Description du sujet de thèse

La gestion de l'énergie constitue l'un des plus importants défis que notre société va devoir relever au cours du 21e siècle. C'est sur ce défi que se positionnent les activités de recherche du sujet proposé ; la conception de nouveaux interrupteurs de puissance est indispensable : il convient de minimiser les pertes, d'assurer une meilleure gestion de l'énergie électrique, d'augmenter les performances (tenue en tension, calibre en courant, rendement) et la robustesse en améliorant les caractéristiques intrinsèques des composants à semi-conducteurs. Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite tels que le nitrure de gallium (GaN) sont les candidats adéquats pour répondre à ce défi.
À ce jour, les composants en GaN sont très majoritairement des composants latéraux à hétérostructures AlGaN/GaN. Bien que fabriqués sur des substrats en silicium larges et donc faible coût, ces composants présentent de nombreuses limitations : tensions de seuil trop faibles, tenues en tension BV limitées (moins de 1 kV) et en compromis avec la densité de puissance, des résistances dynamiques à l'état passant élevées, etc. C'est la raison pour laquelle il est indispensable de fabriquer des composants verticaux qui peuvent tenir de hautes tensions (plus de 1 kV) en conservant une faible surface.
C'est dans ce cadre que s'insère le projet VERTIGO financé par le PEPR (Programmes et équipements prioritaires de recherche) « électronique » du plan d'investissement « France 2030 ».
Dans ce projet, la tâche du doctorant recruté ici sera double :
La première phase de ce travail de thèse vise la conception par LAAS de transistors de puissance 1200 V verticaux en lien avec les laboratoires CRHEA et CEA Leti, afin de définir l'empilement optimal des différentes couches épitaxiées GaN et de proposer des architectures de composants compatibles avec les moyens technologiques de ces deux laboratoires qui auront en charge la réalisation technologique desdits composants. Le projet visant la fabrication de composants purement verticaux, des structures bipolaires pourront également être évaluées par simulation en plus des structures unipolaires (FET, MOS).
Dans un second temps, des fonctions élémentaires (« senseFET », capteur de tension d'anode, utilisation du bipolaire parasite vertical, isolation et intégration de fonctions pour la commande rapprochée, etc.) seront ensuite développées pour aller vers une intégration de fonctions de puissance monolithique qui permet de tirer le meilleur parti des performances du matériau. En collaboration avec le laboratoire LAPLACE, la prise en compte de la commande rapprochée permettra une meilleure optimisation système composant-commande, notamment sur la spécification de la tension de seuil et le choix des compromis de conception.

Contexte de travail

Pour répondre à l'urgence climatique, la société a amorcé une mutation capitale en termes de gestion des ressources et de consommation d'énergie, notamment en adoptant des sources d'énergie alternatives dans les transports comme dans les bâtiments, imposant ainsi des changements majeurs dans l'industrie de l'électronique de puissance. Cela nécessite de nouvelles générations de composants de puissance et d'architectures de conversion devant conduire à optimiser la gestion de l'énergie en réduisant leur encombrement (masse, volume) et en étant au plus près des actionneurs (moteur, turbine).
Les semiconducteurs à large bande interdite (« grand gap »), notamment le nitrure de gallium (GaN) avec ses propriétés électroniques exceptionnelles, doivent permettre de réaliser ces dispositifs actifs fonctionnant en environnement sévère (haute tension, haute température, haute fréquence, radiations). Il est donc indispensable de développer la filière technologique spécifique à la réalisation de ces fonctions et composants de puissance.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.

Informations complémentaires

Cette thèse sera réalisée dans du cadre du projet VERTIGO financé par le PEPR (Programmes et équipements prioritaires de recherche) « électronique » du plan d'investissement « France 2030 ».