Thèse Optimisation des Modèles Thermiques de Transistors de Puissance en Vue d'Une Instrumentation In-Situ. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Reims Champagne - Ardenne École doctorale : MPSNI - Mathématiques Physique Sciences du Numérique et de l'Ingénieur Laboratoire de recherche : Institut de Thermique, Mécanique, Matériaux Direction de la thèse : NICOLAS ***** ORCID 0000000316337989 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 Les semi-conducteurs à large bande interdite comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN) se développent rapidement grâce à leurs performances supérieures par rapport au silicium traditionnel. Ces matériaux permettent aux composants électroniques de fonctionner à des températures de jonction plus élevées (jusqu'à 250°C contre 150°C pour le Si), d'opérer sous des tensions plus importantes et de commuter plus rapidement. Ces caractéristiques combinées améliorent significativement l'efficacité énergétique des systèmes électroniques.
Les applications de ces semi-conducteurs sont variées et couvrent plusieurs domaines technologiques. Dans l'industrie, les moteurs équipés de variateurs de vitesse en SiC sont plus efficaces et nécessitent moins de câblage, réduisant ainsi les coûts et les ressources nécessaires. Pour les véhicules électriques, l'utilisation de SiC permet d'augmenter l'autonomie et de réduire la taille des batteries, ce qui diminue les coûts. Dans le secteur des énergies renouvelables, les onduleurs solaires utilisant ces matériaux sont plus compacts et plus efficaces, ce qui permet de réduire les coûts et d'augmenter la production d'énergie propre.
Bien que les dispositifs en SiC et GaN soient plus coûteux à produire que ceux en silicium, leur utilisation entraîne une économie globale de 20% sur le coût total des systèmes grâce à des composants plus légers et une meilleure gestion thermique. La conductivité thermique supérieure de ces matériaux permet en effet une meilleure dissipation de la chaleur, ce qui prolonge la durée de vie des composants. En effet, une augmentation de seulement 10°C de la température de fonctionnement peut diviser par deux la durée de vie des composants électroniques.
Cependant, la conception de ces composants pose des défis importants en matière de gestion thermique. Les structures hétérogènes et les nombreuses interfaces entre couches minces (de quelques nanomètres à quelques micromètres) peuvent limiter la dissipation de la chaleur. Bien que le SiC et le GaN possèdent une excellente conductivité thermique, les interfaces avec d'autres matériaux (comme l'AlN, le Ti ou le TiN) deviennent prépondérantes, limitant ainsi les transferts thermiques. Il est donc essentiel d'étudier ces interfaces pour optimiser l'adéquation entre le comportement électronique des composants et leur dissipation thermique.
Ce projet répond à une demande spécifique de l'industriel Thales, qui a besoin de caractériser les propriétés thermiques de matériaux diélectriques et semi-conducteurs en couches minces utilisés dans les transistors de puissance radiofréquences (RF) fonctionnant en hautes fréquences (HF). Ces composants présentent des besoins importants en dissipation de chaleur, en fiabilité et en durabilité.
L'objectif principal du projet est d'améliorer la connaissance des propriétés thermiques de ces couches minces afin de mieux comprendre le lien entre ces propriétés et les processus de fabrication. Cela permettra d'alimenter les codes de calcul et de simulation électrothermiques pour optimiser la conception des composants microélectroniques chez Thales.
Le projet vise également à développer une instrumentation in-situ pour mesurer précisément la température de jonction et minimiser les points chauds dans les composants.
Pour atteindre ces objectifs, deux méthodes seront comparées afin d'assurer la précision et la robustesse des résultats obtenus pour l'estimation des propriétés et des résistances thermiques d'interfaces des matériaux : la thermo-réflectance (TDTR, NanoTR) et la radiométrie photothermique modulée (FD-PTR).

- Être titulaire d'un Master (ou équivalent) en thermique, optique, physique appliquée.
- Avoir un goût pour les aspects expérimentaux et numériques.
- Être organisé, autonome, rigoureux et aimer le travail dans une équipe pluri-disciplinaire.
- Être force de proposition.
- Savoir rédiger des rapports et des articles scientifiques, notamment en anglais.
- Aimer encadrer des étudiants en L3, M1, M2