Imagerie des champs de déformations dans les semi-conducteurs: du matériau au dispositif // Strain field imaging in semiconductors: from materials to devices

Ce sujet traite de la visualisation et de la quantification des champs de déformation dans les matériaux semi-conducteurs, par des techniques utilisant le rayonnement synchrotron. Le contrôle de la déformation est fondamental pour optimiser les propriétés de transport électronique, mécaniques et thermiques. Dans une approche duale, nous combinerons la détermination du tenseur local de déformation déviatorique en balayant l'échantillon sous un nano faisceau polychromatique (µLaue) et une imagerie d'un champ de vu donné (microscopie aux rayons X en champ sombre, DFXM).

Des recherches originales s’intéresseront à améliorer l’analyse : (1) de la précision et de la vitesse de détermination quantitative des champs de déformation, (2) des distributions des gradients de déformation, et (3) du champ de déformation dynamique dans les matériaux piézoélectriques par des mesures stroboscopiques. Pour illustrer ces points, trois cas scientifiques correspondant à des matériaux microélectroniques pertinents et de complexité croissante seront étudiés :

1.Champs de déformation statiques entourant des contacts métalliques dans le Si, tels que les vias à travers le silicium (TSV) à haute densité dans la technologie CMOS.
2.Gradients de déformation dans des structures hétéroépitaxiales complexes Ge/GeSn avec des variations de composition le long de la direction de croissance.
3.Études de déformation dynamique de résonateurs acoustiques LiNbO3 en volume avec une fréquence de résonance dans la plage des MHz.

La validation de cette approche conceptuelle permettra une avancée significative dans le domaine de la microélectronique et l'ingénierie de déformation.
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This subject addresses the visualization and quantification of deformation fields in semiconductor materials, using synchrotron radiation techniques. The control of the deformation is fundamental to optimize the electronic transport, mechanical and thermal properties.
In a dual technique approach we will combine the determination of the local deviatoric strain tensor by scanning the sample under a polychromatic nano beam (µLaue) and a monochromatic full field imaging with a larger beam (dark field x ray microscopy, DFXM).
New developments of the analysis will be focused on 1/ the improvement of the accuracy and speed of the quantitative strain field determination, 2/ the analysis of strain gradient distributions in the materials, and 3/ the determination of the dynamic strain field in piezoelectric materials through stroboscopic measurements. To illustrate these points, three scientific cases corresponding to relevant microelectronic materials of increasing complexity will be studied:
1- Static strain fields surrounding metallic contacts, such as high-density through silicon vias (TSV) in CMOS technology.
2- Strain gradients in Ge/GeSn complex heteroepitaxial structures with compositional variations along the growth direction.
3- Dynamical strain in LiNbO3 surface acoustic wave resonators with resonance frequency in the MHz range bulk
Establishing this approach will mean moving a step forward towards more efficient microelectronics and strain engineering.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DEPHY
Date de début souhaitée : 01-11-2025
Ecole doctorale : Ecole Doctorale de Physique de Grenoble (EdPHYS)
Directeur de thèse : EYMERY JOEL
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRIG//MEM
URL : https://www.mem-lab.fr/en/Pages/NRX/Presentation.aspx

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DEPHY

Physique des materiaux