Deuxième génération d’harmoniques pour les matériaux semi-conducteurs et caractérisation d’interfaces

Génération de seconde harmonique pour la caractérisation des matériaux et interfaces à semiconducteurs

IMEP – LAHC, MINATEC – INPG, 3, Parvis Louis Néel, 38016, Grenoble

 Contacts:
Irina Ionica , 04 56 52 95 23
Guy Vitrant
Lionel Bastard

Contexte:
Ce sujet de thèse est financé dans le cadre du plan national français Nano 2022, qui fait partie du projet européen IPCEI «Nanoélectronique pour l’Europe» et vise à  soutenir l’industrie micro / nanoélectronique. Parmi ses 5 axes stratégiques, les capteurs intelligents (tels que les capteurs d’image) occupent une place importante.
L’amélioration des performances de tels dispositifs nécessite des optimisations technologiques continues des matériaux et des interfaces les constituant.
La plupart du temps, les matériaux utilisés sont des couches minces (ou des empilements contenant plusieurs couches minces) et leur caractérisation non destructive sur wafer complet  est un véritable défi.

Objectifs de thèse et travaux à réaliser:
L’objectif de cette thèse est de développer une méthode de caractérisation innovante pour les multicouches de diélectriques à grand k utilisés pour la passivation au silicium. La méthode utilise la génération de seconde harmonique (SHG), qui est un phénomène d’optique non linéaire. La particularité du SHG généré par les matériaux centrosymétriques (tels que Si, Al2O3, HfO2…) est que le signal, provenant principalement des contributions des interfaces, est très sensible au champ électrique qui y est présent. Pour les capteurs d’image, une qualité d’interface élevée et une passivation par effet de champ sont requises et peuvent être mesurées à l’aide du SHG1. Ces objectifs nécessitent que  deux éléments clés soient traités dans la thèse:
(1) la déconvolution des phénomènes de propagation optique  afin d’accéder aux propriétés électriques de l’interface et (2)l’ étalonnage du SHG en utilisant d’autres mesures électriques comme la capacité en fonction de  la tension sur des structures fabriquées spécifiquement en salle blanche.
Le sujet est donc multidisciplinaire (physique des semi-conducteurs, physique des dispositifs semi-conducteurs, optique non linéaire…) et couvre tout le spectre, de la fabrication de structures de test simples à la mesure et modélisation de la  SHG ainsi qu’à la caractérisation électrique et à l’extraction de paramètres.

Environnement scientifique et collaborations:
Le doctorant bénéficiera d’équipements innovants: un prototype unique en Europe, installé à l’IMEP-LAHC en 2014.
De plus, nous avons développé un simulateur optique fait maison afin d’expliquer les résultats expérimentaux. L’étudiant bénéficiera également d’échantillons présentant un grand intérêt pour les capteurs d’images de STMicroelectronics. Le sujet est donc fortement lié au monde universitaire et  industriel, puisqu’il couvre la compréhension physique et les applications pragmatiques de la microélectronique.

Connaissances et compétences requises:
Le sujet du doctorant appartient au domaine de la micro-nanoélectronique, mais il est multidisciplinaire (optique non linéaire, caractérisation électrique et modélisation des interfaces semi-conducteurs-diélectriques). Le candidat doit avoir une connaissance solide dans au moins l’ un de ces domaines. Sa curiosité scientifique et son ouverture d’esprit devraient lui permettre d’acquérir les autres compétences techniques. Le candidat devrait apprécier à la fois les  travaux expérimentaux et de simulations. La curiosité et la rigueur scientifiques, la motivation, le sérieux et la créativité sont des qualités indispensables pour tirer pleinement parti de l’environnement scientifique de cette thèse et acquérir une excellente expertise pour son avenir professionnel. Le sujet est proche à la fois de la physique fondamentale et du monde industriel. Après le doctorat, le candidat devrait être capable de s’adapter facilement aux environnements des recherches académique et industriel .

Le candidat doit avoir un très bon dossier académique, avec des notes élevées.

1 ML Alles et al., Transactions IEEE sur la fabrication de semi-conducteurs, vol. 20, 107 (2007),
D. Damianos et al., Solid State Electronics, vol. 115, p.237, 2016

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