Offre de thèse conception de transistors à effet de champ en diamant pour les applications de réseaux intelligents et méthodes de caractérisation dédiées h/f

Ce poste de doctorat est financé par un projet de recherche collaboratif français DIAMSHIELD sur l'utilisation de transistors en diamant dans les réseaux intelligents. Ce projet a débuté en 2025, pour 39 mois, coordonné par DIAMFAB, avec le laboratoire Laplace et la société Schneider Electric comme participants, et financé par l'ADEME. Ce poste de doctorat est financé pour 36 mois. Le projet DIAMSHIELD vise à développer une nouvelle génération de transistors à effet de champ (FET) efficaces basés sur un semi-conducteur en diamant, avec des propriétés uniques pour les applications de réseaux intelligents. Les technologies de l'électronique de puissance avancée sont au coeur de la prochaine génération de systèmes énergétiques. Le silicium est un matériau semi-conducteur bien établi qui répond aux exigences de la conversion énergétique depuis plus de 50 ans. Cependant, il est largement reconnu qu'une véritable amélioration de l'électronique de puissance sera obtenue en utilisant des dispositifs basés sur des matériaux semi-conducteurs à large bande interdite. Les matériaux semi-conducteurs à large bande interdite présentent des caractéristiques électriques supérieures à celles du silicium pour les dispositifs de puissance. Les dispositifs électroniques de puissance basés sur des semi-conducteurs à large bande interdite permettront d'améliorer considérablement les performances des systèmes électroniques de puissance en offrant des tensions de blocage plus élevées, une efficacité et une fiabilité accrues (rapport performance/coût plus élevé), ainsi que des exigences thermiques réduites, ce qui conduira à la réalisation de systèmes électroniques verts plus efficaces. Parmi ces matériaux, le diamant, classé parmi les matériaux à ultra large bande interdite en raison de son énorme bande interdite énergétique (5,5 eV), est considéré comme le semi-conducteur ultime pour les applications de l'électronique de puissance [1] en raison de ses propriétés exceptionnelles. Sa rigidité diélectrique est 3 fois supérieure à celle du carbure de silicium (SiC) ou du nitrure de gallium (GaN) et plus de 30 fois supérieure à celle du silicium (Si), tandis que la résistance spécifique à l'état passant est inversement proportionnelle à la valeur cubique de ce paramètre. En outre, la mobilité des porteurs est très élevée pour les deux types de porteurs et la conductivité thermique est inégalée.
Les objectifs scientifiques de ce poste de doctorat sont résumés en deux tâches principales : concevoir les transistors de puissance en diamant et leur commande de grille associée, caractériser ces dispositifs de puissance dans des cellules de commutation de puissance, des tests expérimentaux dédiés et la caractérisation en relation avec l'application finale :
Conception des transistors en diamant
En étroite collaboration avec le consortium du projet, les différents dispositifs seront étudiés à l'aide d'analyses par éléments finis en 1D, 2D et 3D (par exemple TCAD Sentaurus, Silvaco). Les analyses numériques évalueront les compromis entre les performances électriques (résistance à l'état passant, tension de seuil, transconductance et tension de rupture), les paramètres de fabrication (épaisseur des couches de diamant et niveaux de dopage, type et épaisseur de l'oxyde, lithographie et étapes de fabrication) et les paramètres géométriques (longueur de la grille, distances entre la grille et le drain et entre la grille et la source, dimensions critiques et marges de sécurité). Une attention particulière sera accordée aux condensateurs parasites afin d'évaluer le plus tôt possible les performances de commutation et les meilleurs compromis entre les paramètres du transistor, les pertes de conduction et de commutation. Les différentes architectures seront comparées en termes de performances électriques (résistance à l'état passant, champs électriques à l'état bloqué) et de complexité de fabrication (nombre de processus de fabrication et tolérance aux dispersions). Les meilleures architectures seront conçues (mask layout), en étroite collaboration avec les partenaires de Toulouse et de Grenoble.
Mise en oeuvre du transistor diamant avec sa commande rapprochée dédiée - Conception de bancs d'essai dédiés
Les nouvelles architectures de transistors diamant proposées présenteront certaines spécificités telles que des valeurs de tension de seuil (Vth) atypiques, une surface totale éventuellement réduite et une résistance de grille interne importante. Ces spécificités nécessiteront la conception et le développement de nouvelles techniques de caractérisation, en particulier dans le contexte du comportement transitoire, avant et après conditionnement. Le comportement de commutation à grande échelle des FET en diamant doit ensuite être exploré expérimentalement. Des « cartes d'évaluation » dédiées seront conçues pour mesurer les formes d'onde de commutation lors de la commutation de signaux importants (par exemple 600V, 1A), en relation étroite avec les tâches d'emballage, les pilotes de grille et les spécifications des transistors. Les énergies de perte de commutation (c'est-à-dire Eoff, Eon) seront mesurées expérimentalement à l'aide d'une méthodologie spécifique en fonction des propriétés électriques obtenues (et donc du courant, de la tension nominale, des vitesses de commutation de la tension et du courant) et des signaux et paramètres de commande électrique combinés. Les performances exceptionnelles en courant continu et alternatif des nouveaux transistors en diamant seront quantifiées et comparées à d'autres technologies telles que les MOSFET en SiC et/ou les JFET en SiC.
Contexte de travail
Ce poste financé par un projet de recherche collaboratif français ADEME « DIAMSHIELD ». Ce poste de doctorant.e est financé pour 36 mois.

Le Laplace (Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie) est une UMR ayant pour tutelles le CNRS, l'INP-Toulouse et l'UPS. Le laboratoire comprend plus de 300 personnes et représente la plus forte concentration de recherche en génie électrique et Plasma en France. Particulièrement, il est le seul à couvrir de manière intégrée le continuum « Plasma/matériaux/systèmes ». Le groupe CS se compose de 35 équivalent temps plein, et les investigations principales portent sur des concepts originaux d'associations de cellules de commutation imbriquées, superposées et/ou magnétiquement couplées en parallèle, donnant naissance à des circuits complexes à topologie bien souvent très ramifiée. Les recherches et les technologies ainsi développées adressent aussi bien de nouvelles fonctionnalités de gestion de l'énergie que des applications à hautes performances en termes de qualité de formes d'ondes, de filtrage compact et d'intégration tridimensionnelle à forte puissance spécifique.

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
Les candidat.e.s doivent :
- Maîtriser les outils de simulation tels que SPICE, VHDL(-AMS), Cadence, ainsi que les outils de calcul et modélisation tels que Matlab/Octave ou Python. Des compétences en simulation numérique type élément fini seront un plus (ex : Comsol, TCAD, Silvaco).
- Maîtriser les problématiques et méthodologies de caractérisation des transistors en régime de commutation large signal.
- Avoir un diplôme de Master ou d'école d'ingénieur en génie électrique ou physique appliquée.
- Avoir des connaissances approfondies en électronique, idéalement dans la modélisation de transistors et les composants de puissance à matériaux grand gap et/ou ultra grand gap.
- Démontrer une aptitude au travail en équipe et dans le cadre d'un projet collaboratif,
- Avoir un bon niveau et une maîtrise des langues Françaises et Anglaises