Thèse Dépôt de Films Minces Multicouches par Procédé Hybride Pvd - Ald pour Améliorer la Rigidité Diélectrique des Futurs Dispositifs Électroniques Haute Tension pour une Aéronautique Plus Durable H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Laboratoire de recherche : LAPLACE - Laboratoire PLAsma et Conversion d'Énergie Direction de la thèse : Sombel DIAHAM ORCID 0000000236880607 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 L'aviation représente la deuxième source d'émissions de gaz à effet de serre du secteur des transports, juste après le transport routier, et le trafic aérien devrait continuer à croître au cours des prochaines décennies. Dans ce contexte, l'industrie aéronautique se réinvente autour des concepts « d'avion plus électrique » et, à plus long terme, « d'avion tout électrique ». Pour électrifier les aéronefs, les tensions des réseaux de bord vont augmenter de manière significative, atteignant des architectures de 800 V en courant continu (DC) dans un avenir proche (2035), tandis que des niveaux compris entre 1 000 V et 3 000 V DC sont envisagés à plus long terme, au-delà de 2050. Cette évolution soulève de nouveaux défis en matière d'isolation électrique pour les systèmes de conversion de puissance (AC/DC) à haute densité et pour les dispositifs électroniques, qui devront fonctionner de manière fiable sous des tensions plus élevées. Les semi-conducteurs de puissance à large bande interdite (GaN, SiC) joueront un rôle central dans ces enjeux. Toutefois, pour garantir un fonctionnement sûr, la surface supérieure des composants semi-conducteurs ainsi que toute pièce métallique critique du packaging doivent être isolées de manière adéquate à l'aide de matériaux à haute rigidité diélectrique - via un procédé technologique compatible - afin de séparer les contacts haute tension des contacts de masse. Les oxydes métalliques (SiO2, Al2O3, HfO2...) ou les (oxy)nitrures de silicium (SiNx, SiOxNy) en couches minces constituent les diélectriques traditionnels - appelés passivation de surface - des dispositifs électroniques ; ils sont généralement déposés par croissance thermique (quelques nanomètres à une dizaine de nanomètres), complétée par un dépôt chimique en phase vapeur (CVD) (quelques dizaines à une centaine de nanomètres). Bien qu'ils présentent une bonne rigidité diélectrique à court terme (3 à 10 MV/cm), ils souffrent encore de problèmes de fiabilité à long terme sous champ électrique élevé, en raison de l'apparition de défauts (irrégularité de croissance) lors du procédé de dépôt. Le dépôt physique en phase vapeur (PVD), et plus particulièrement la pulvérisation magnétron réactive, est une technique alternative bien adaptée à la réalisation de revêtements diélectriques épais. Cependant, la microstructure colonnaire qui en résulte - caractérisée par le développement de joints de grains, de micro-trous et de défauts alignés - crée des chemins de fuite continus à travers le diélectrique, réduisant ainsi sa rigidité diélectrique. Le dépôt de couches atomiques (ALD) offre une capacité complémentaire. Sa chimie de surface auto-limitante permet d'obtenir des couches parfaitement conformes, continues et exemptes de micro-trous, avec un contrôle de l'épaisseur à l'échelle sub-nanométrique. Toutefois, cela se fait au détriment de la vitesse de dépôt : environ ~1 nm/min, soit un ordre de grandeur de moins que par PVD. Une avancée majeure réside dans l'adoption d'une approche hybride de nanostratification [PVD/ALD] : le procédé PVD dépose la majeure partie du matériau à une cadence industrielle, tandis que des inter-couches nanométriques déposées par ALD (de 2 à 10 nm chacune) - exemptes de micro-trous et parfaitement conformes - viennent sceller les joints de grains colonnaires de la couche sous-jacente. Ainsi, chaque sous-couche PVD amorce une nouvelle nucléation sur une surface exempte de défauts au lieu d'hériter du réseau de défauts de la couche précédente, empêchant ainsi tout alignement des défauts. Par conséquent, cette thèse a pour ambition de créer une nouvelle classe de films inorganiques nanolaminés hybrides PVD/ALD (à la fois dans des oxydes et des nitrures) et vise à atteindre une rigidité diélectrique exceptionnelle et inédite, supérieure à 20 MV/cm, pour une épaisseur micrométrique et une vitesse de dépôt industrielle - des performances inaccessibles par l'un ou l'autre de ces procédés pris isolément. CONTEXT:
Faced with the urgent challenges of climate change and the need to drastically reduce global CO2 emissions, the electrification of transport has emerged as a key lever for reducing reliance on fossil fuels [1-3]. With 13.9% of transport emissions, aviation is the second biggest source of greenhouse gas emissions in the transport sector after road transport [4], and air-traffic is going to continue to rise over the next decades [5]. Against this backdrop, the aviation industry is reinventing itself around the concepts of the 'More Electric Aircraft' (MEA) and, in the longer term, 'All Electric Aircraft' (AEA). Historically, the sector has transitioned from onboard network voltages of 14/28 V DC to 115 V AC (400 Hz) networks, and subsequently-on the most recent long-range aircraft programs-to 270 V DC [6]. Ongoing studies are now exploring 800 V DC architectures for power electric propulsion systems ranging from a few hundred kilowatts to the megawatt level [7]. In the longer term beyond 2050, aeronautic aims to move beyond the megawatt range, with onboard voltage levels expected to range 1,000 V to 3,000 V DC [7]. This evolution presents new challenges regarding electrical insulation for onboard AC/DC high-power density conversion systems. Wide-bandgap power semiconductors (GaN, SiC) are central to these issues. Thanks to their high switching speeds and ability to withstand electric fields exceeding 3 MV/cm, they now enable the design of double-side cooling inverters with higher power density (50-100 kW/L) capable of operating at voltages up to 800 V nowadays [8, 9], and above 1 kV in the future. However, to operate safely and reliably, the top surface of semiconductor devices, as well as any critical metal part in the device package, must be appropriately insulated with high dielectric strength materials to separate high-voltage contacts from ground contacts, and using a compatible technological process. Thin metal oxides (SiO2, Al2O3, HfO2 ...) or silicon (oxy)nitrides (SiNx, SiOxNy) are traditional thin film dielectrics -namely surface passivants- for electronic devices and are typically deposited by thermal growth (few ~10 nm) complemented by chemical vapor deposition (CVD) (few ~100 nm) [10, 11]. While they exhibit good short term dielectric breakdown strength (EBD) with values ranging between 3-10 MV/cm, they are still suffering of long term high-field reliability issues [12], that will make critical the emergence of the next generation of high-voltage power devices. The reason is usually related to the introduction of defects (pinholes) within the films during the deposition process that lead to high leakage currents from electric field of only a few ~MV/cm [13, 14], and act as nuclei location for irreversible electrical degradation processes [15]. Therefore, reinforcing inorganic films by engineering them with advanced deposition processes to reach an initial dielectric breakdown strength and eradicating any leakage current will enable to delay the early degradation processes and to considerably improve the long term high-field reliability of electronic devices, participating to the adoption of higher voltage converters in aeronautics.

Physical vapor deposition (PVD), particularly reactive magnetron sputtering, is a well-suited alternative to grow thick dielectric coatings. As a precursor-free process, it avoids carbon-, hydrogen- and hydroxyl-containing residues associated with CVD chemistries that can promote charge trapping and leakage [13]. It is above all fast: deposition rates of tens of nm/min at low substrate temperature deliver micrometer-thick coatings in minutes. At the University of Nottingham (UK), PVD-grown AlN films (~15-150 nm) have already demonstrated EBD > 15 MV/cm together with high thermal conductivity of ~ 300 W/m·K [16]. The limitation arises at greater thickness. Sputtered films typically develop a columnar microstructure in which grain boundaries, pinholes, and aligned defects can form continuous leakage pathways through the dielectric, reducing EBD down to ~1-5 MV/cm. Multilayering partially addresses this problem: chemically distinct interfaces force re-nucleation, interrupt columnar boundaries, and hinder charge transport. The University of Nottingham has demonstrated this approach in sputtered oxide multilayers, achieving 4.7-5.1 MV/cm [17]. However, because every layer is still sputtered, the interfaces disrupt defect propagation without eliminating the pinholes from which it originates.
Atomic layer deposition (ALD) provides the complementary capability. Its self-limiting surface chemistry produces highly conformal, continuous, and effectively pinhole-free layers with sub-nanometer thickness control [18,19]. ALD Al2O3 reaches ~8.3 MV/cm [20], while recent high-voltage C-AFM measurements by the University of Nottingham and University of Toulouse (France) showed that ~6 nm ALD AlN can sustain local fields approaching 40 MV/cm [21]. The cost, however, is throughput: at ~1 nm/min, an order of magnitude below PVD, ALD alone cannot build the micrometer-thick insulation a power device needs. Speed and perfection have therefore remained mutually exclusive.

Breaking that deadlock is the novelty of this proposal. In a hybrid [PVD/ALD] nanolaminate, PVD deposits the bulk at an industrial rate while a 2-10 nm ALD interlayer, pinhole-free and perfectly conformal, caps the columnar boundaries of the layer beneath, so that every sputtered sublayer re-nucleates on a flawless surface instead of inheriting the defect network of the one before it. Defects are no longer merely separated from one another: they are prevented from ever lining up, as graphically illustrated for the principle in Fig. 2. Neither process achieves this alone, and although hybrid PVD/ALD stacks are already established for wear and corrosion protection [22,23], not a single study has examined their dielectric behaviour - the fabrication risk is therefore low while the insulation science is entirely unexplored, and the concept has never been attempted on nitrides. By delaying the onset of leakage beyond 15 MV/cm, such an architecture is expected to deliver an unprecedented dielectric strength >20 MV/cm at micrometre thickness and industrial deposition rate, unachievable by either process alone. This PhD thesis ambitions to create a new class of hybrid PVD/ALD nanolaminated inorganic films (on both oxide-base and nitride-base) and aims to deliver an unprecedented ultra-high dielectric breakdown strength >20 MV/cm at micrometer thickness. - Multilayer deposition and structural characterization at the University of Nottingham (UK):
At Nottingham, hybrid PVD/ALD nanolaminates (both on AlN/AlN-base and on Al2O3/Al2O3-base) will be fabricated by combining multi-target reactive magnetron sputtering with ALD. The PVD process will be systematically optimized by varying RF/DC/pulsed-DC target power, Ar/N or Ar/O2 atmosphere, substrate temperature, bias, and target-to-substrate distance to control film stoichiometry, crystallinity, texture, and defect density. Individual PVD layers of approximately 10-100 nm will be alternated with ultrathin ~2-10 nm ALD interlayers, with the number and thickness of layers progressively varied to determine the optimum architecture for disrupting columnar grain boundaries and continuous defect pathways. Deposition will initially be optimized on Si-based substrates before producing complete multilayer stacks for electrical testing. Film composition, stoichiometry, and chemical bonding will be analysed by XPS, SEM/EDX, FTIR and Raman spectroscopy, while AFM and profilometry will quantify surface roughness, thickness, and deposition rate; cross-sectional SEM/HR-TEM will be used to assess layer continuity and interface quality. This will be complemented with state-of-the-art co-localized AFM-Raman and Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS) to map chemical and structural changes at breakdown sites before and after failure with diffraction-limited and sub-10nm resolution, respectively. This correlated approach will provide unique insights into defect-induced phase transformations since chemical information from individual defects present in the as-grown film and from the areas where breakdown occurs can be extracted. The resulting structure-composition relationships will guide iterative optimisation of the deposition process before the optimized samples are transferred to Toulouse for macroscopic dielectric testing, ageing and lifetime measurements.

- Electrical characterization at the University of Toulouse (France):
At Toulouse, a diverse array of diagnostic techniques (I-V, dielectric spectroscopy, breakdown strength) will be used to evaluate the electrical properties of the multilayered PVD/ALD films (AlN/AlN-base and Al2O3/Al2O3-base), all of which conducted using a state-of-the-art 20kV probe station with thermoregulated chuck (-50°C/+300°C). This will contribute to producing a large database of electrical properties both types of nanolaminates depending on deposition conditions and film structural layering. I-V and field-dependent complex permittivity will be probed to identify the threshold field of nonlinear properties and correlation with breakdown field will guide design optimization to reach ultra-high-EBD stacks. Post-mortem analysis of the failure made by SEM or TEM/FIB will enable to understand how defect are capped by the interfacial ALD nanolayers and will serve for further process optimization at Nottingham. To evaluate the long-term reliability of the multilayer PVD/ALD hybrid stacks, the PhD student will perform in Toulouse accelerating electrical aging at wafer-level using stress induced leakage current (SILC) measurement over time, and under various high field, waveform, polarity, frequency and temperature. Time-to-failure will be evaluated as a function of the film layered structure and the applied stress conditions. Finally, the benefits of the ALD nanolayers on the defect propagation limitation and on the stack resilience to breakdown will be established.

Un diplôme de Master (M.Sc.) en science des matériaux, en physique ou en matériaux pour l'électronique est requis. Des compétences en dépôt de matériaux, en physique des matériaux, en caractérisation électrique et en instrumentation, ainsi que des notions d'électrostatique, seront très appréciées.
La forte dimension expérimentale de la thèse nécessitera de maîtriser et de réaliser de nombreux dépôts de couches, expériences et caractérisations.
Le doctorant intégrera un projet pluridisciplinaire ; la curiosité ainsi qu'une ouverture d'esprit envers la science des matériaux et les applications d'ingénierie sont requises.
Une excellente maîtrise de l'anglais (niveaux C1, C2) est exigée afin de favoriser la diffusion scientifique et la collaboration internationale.

Application link: https://edd-projets.utoulouse.fr/