« Amélioration de l'efficacité de détection dans le proche infrarouge de photo-détecteurs de type SPAD intégrés dans une technologie CMOS FDSOI »

Doctorant : Shaochen GAO

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : EEA (Electronique, Electrotechnique et Automatique)

Cette thèse porte sur la simulation et la caractérisation de diodes à avalanche à photon unique (SPAD) intégrées dans la technologie CMOS FDSOI (Fully-depleted Silicon-on-Insulator) 28nm de STMicroelectronics. L'objectif principal se concentre sur l'amélioration de la probabilité de détection de photons (PDP) de ces dernières. Elles sont composées d'une jonction p-Well/Deep-n-Well dans un substrat silicium. La jonction est insérée sous une fine couche d'oxyde enterrée (BOX) et l'électronique associée est placée dans une fine couche de silicium au-dessus du BOX. Cette implémentation permet de créer un pixel intrinsèquement 3D. Afin d'améliorer la PDP, l'approche de la nanostructuration des tranchées STI présentes nativement dans la zone active a été choisie pour l'illumination par la face avant. En nanostructurant ces tranchées STI, nous pouvons augmenter le taux de photogénération moyen dans les zones photosensibles et ainsi améliorer la PDP. Les simulations électro-optiques sur les diodes SPAD nanostructurées avec un rapport entre la surface de silicium et la surface totale d’un motif périodique variant de 15% à 25% et une période 0,48µm présentent un gain relatif moyen en PDP de 100% et 35% respectivement pour la gamme spectrale de 400-550nm et 550-700nm avec une tension d’excès de 1,5V. Ces résultats nous ont permis de proposer des architectures nanostructurées dans le un circuit de test. Les caractérisations ont montré un gain relatif moyen de 30-50% avec les valeurs absolues de PDP<2,5% pour des tensions d’excès relatives comprises entre 2-4% de la tension de claquage. Même si ces travaux n’ont pas permis d’atteindre les performances de photodétection de l’état de l’art, les résultats de caractérisations électro-optiques restent prometteurs, compte-tenu des contraintes lors des simulations et caractérisations (propriétés optiques des couches d’interconnexions non connues, faible degré de liberté sur le contrôle du procédé de fabrication, compromis entre le DCR (taux de comptage dans l’obscurité) et la PDP relié aux défauts d’interface apportés par les tranchées STI).

 

Numerical and Experimental Analysis of the Tribological Performance of a Diamond-Like Carbon Coated Piston Ring Cylinder Liner Contact

Doctorant :  Thomas LUBRECHT

Laboratoire INSA : LaMCos

Ecole doctorale : ED162 : Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique de Lyon

Motivé par l’urgence climatique et les normes d’émissions de polluants, l’industrie automobile mondiale initie l’électrification de sa flotte de véhicules. Cependant, cette technologie est, en l’état, incapable de répondre aux challenges de la mondialisation. Pour cette raison, les moteurs à combustion interne seront toujours utilisés dans les années à venir. Ainsi, améliorer leur efficacité, fiabilité et réduire leurs émissions de polluants est aujourd’hui plus que nécessaire. Les revêtements de surface, tel que le Diamond-Like Carbon (DLC), peuvent par leurs excellentes propriétés tribologiques améliorer le rendement et la durée de vie d’un moteur. Leur application au contact primordial Segment-Piston-Chemise (SPC) a peu été étudiée, mais semble prometteur. Afin d’évaluer la pertinence d’une telle solution, une étude expérimentale et numérique du contact SPC revêtu DLC est menée. Un solveur semi-analytique, transitoire, linéique pour la résolution du contact lubrifié est développé. Contrairement aux habituelles théories stochastiques, cette méthode repose sur un calcul déterministe du contact entre rugosité à partir du relevé topographique de la surface. L’influence de la macro- géométrie des pièces sur le contact est pris en compte par l’implémentation de coefficients analytiques. Ainsi, le solveur permet l’estimation rapide des forces de frottement du contact tout en considérant les phénomènes de sous-alimentation et de transport d’huile. Le solveur est validé expérimentalement et numériquement. En parallèle, un moyen d’essai dit à « chemise-flottante » équipé de vraies pièces moteur est améliorer. La réalisation d’une étude vibratoire du banc d’essai à permit l‘obtention d’un meilleur ratio signal sur bruit mesuré. En outre, une méthode permettant de reproduire des conditions d’essai à hautes vitesses tout en fonctionnant à basses vitesses est présentée.
A partir des méthodes développées, d’excellentes performances tribologiques sont observées pour le contact SPC revêtu DLC. Une réduction significative du frottement ainsi qu’une excellente résistance à l’usure pour une variété de lubrifiant sont obtenues.

Configurable Convolutional Neural Networks: Applications to Breast Cancer Explainable Classification and Display Panel Defect Detection

Doctorant : Feng HE

Laboratoire INSA : CREATIS

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Current deep learning methods such as convolutional neural networks (CNNs) are often dedicated to a specific task and object; they are generally fixed in network architecture, which limits their generalizability and prevents them from addressing multiple scenarios with different objectives. To achieve both the explainable classification of breast cancer and the online defect detection of display panels, we propose a configurable convolutional neural network (ConfigNet) capable of being transformed into different configurations according to the tasks and objects in question. The ConfigNet presents two main functional configurations. The first is composed of a feature extraction module (FEM), a decision map generator (DMG) and a classifier; it is devoted to image explainable classification, for which we propose two DMG structures and a weighted average pooling (WAP) classifier for histopathological breast cancer images. The second is an encoder- decoder configuration devoted to object segmentation and localization. In this second configuration, we propose an efficiency-favored decoder and an element-wise feature fusion module (EFFM) guiding the skip connection between the encoder and decoder for online defect detection of display panels. In addition, we develop a spatial and channel attention-guided feature fusion module (SCAFFM) and a bottleneck-structured decoder for breast tumor segmentation. The FEM or encoder in these two configurations is constructed through transfer learning from existing CNNs having deep convolutional layers.

La journée des doctorants du laboratoire CITI ! Une journée conviviale et scientifique, où vous aurez l'occasion de discuter avec des doctorants et de découvrir leurs sujets de recherche.

Le PhD Day consiste en une journée durant laquelle les doctorants viennent présenter leur sujet de recherche ainsi que leurs dernières avancées, et deux chercheurs senior (invités) donnent des keynotes sur des thèmes transverses.

Durant cette journée, les étudiants auront l'occasion de discuter d'une poursuite en thèse après l'INSA, de la vie de chercheur, mais surtout de découvrir les thématiques de recherche du laboratoire CITI.

Towards an automated dislocation density measurement in the SEM: benefits and limits of the R-ECCI method

Doctorant : Julien GALLET

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Afin de prédire le comportement mécanique des matériaux métalliques, il est important de connaitre plusieurs grandeurs physiques, dont la densité de dislocations qui a un impact majeur sur les propriétés mécaniques. De récents travaux ont montré qu’il est possible de réaliser ces observations dans un Microscope Electronique à Balayage, cette méthode présentant l’avantage d’être appliquée sur des échantillons massifs et de permettre l’observation de plus larges zones. Cependant, une étape d’orientation de l’échantillon est nécessaire, et le traitement des images est réalisé manuellement. Cela rend l’approche longue et fastidieuse. La méthode R-ECCI est basée sur l’acquisition d‘une série d’images à différents angles de rotation et permet de s’affranchir de l’étape d’orientation de l’échantillon. Un profil d’intensité est obtenu, qui est représentatif de la nature du pixel considéré (dislocation, défaut ou matrice). L’objectif de ce projet de thèse était de développer une méthode de caractérisation automatique de la densité de dislocation, à l’aide d’un algorithme de type clustering appliqué sur les profils. Ainsi, les images sont traitées de manière automatisée, et la densité de dislocation est calculée. La première partie du projet a porté sur le développement de la méthodologie de l’acquisition des images et du logiciel de traitement des données, et a permis de déterminer les limites et les points forts de la méthode. Dans une seconde partie, une comparaison quantitative avec les méthodes de mesure existantes (MET, DRX, HR EBSD
…) a été réalisée. En plus du fait que chacune de ces méthodes ne détecte pas les mêmes populations de dislocations, des résultats complémentaires en termes de limites de détectabilité ont étés obtenus. Finalement, des résultats obtenus sur un alliage connu ont étés comparées à celles obtenues par un modèle de prédiction micro-mécaniques, et un bon accord a été trouvé, ce qui permet de valider l’approche globale de R-ECCI.

Multiphysics characterization of gan materials and devices for power applications

Doctorant : Atse Julien Eric N'DOHI

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Malgré ses avantages technologiques, Le silicium présente des limites en raison de son incapacité à opérer sous haute tension à température et pression élevée. Ainsi, le besoin de recourir aux matériaux ayant des propriétés supérieures à celles du silicium est de plus en plus grandissant. Les semi-conducteurs à grande bande d’énergie interdite comme le Carbure de silicium (SiC), le nitrure de gallium (GaN) et le diamant montrent les potentialités à travailler sous haute tension à cause de leur propriété physique respective. Cependant, le chemin pour atteindre une série de production effective avec une maturité technologique et industrielle est encore longue parce que les récentes recherches ont montré que leur performance en tant que composants de puissance est épinglée par quelques phénomènes physiques comme l'apparition de défauts, les effets de contraintes mécaniques, le control du dopage de la couche ou la région active, les fuites et perte d’énergie. Ainsi, une analyse profonde de ces problèmes fondamentaux est requise pour permettre de trouver les solutions adéquates en vue d’optimiser leur performance. Dans cette thèse, nous avons confronté les propriétés physiques et électriques des matériaux et dispositifs GaN à travers une approche de caractérisations multi physiques et électrique tels que le micro Raman la cathodoluminescence et les mesures classiques de courant-tension I(V). L'objectif est de sonder la performance physique de ces matériaux de puissance, surtout ceux conçu à base du GaN parce que la mobilité des porteurs de charges dans le GaN et son énergie de bande interdite permettent aux composants de puissances fabriqués à base du GaN d’opérer dans les commutations de fréquences et radio fréquence élevée que ceux du SiC. Ainsi, le couplage de ces méthodes de caractérisation nous a permis d'avoir une vue profonde des mécanismes physiques qui régissent la performance du GaN sous haute tension et à saisir la contradiction existant entre les paramètres théoriques physiques et expérimentale.

Conception et fabrication de dispositifs bipolaires haute tension basés sur 4H-SiC

Doctorant : Ali AMMAR

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et fabriquer un BJT npn haute tension (2x2 mm2) à base de 4H-SiC avec la capacité de supporter et de bloquer plus de 10 kV en plus d'un gain de courant décent (β). Les fonctionnalités qui améliorent l'efficacité de la protection périphérique des dispositifs bipolaires et augmentent la tension de blocage, telles que l'extension de terminaison de jonction et les anneaux de garde, ont été étudiées et intégrées dans un modèle entièrement optimisé validé par des simulations TCAD avant le processus de fabrication. Onze niveaux photolithographiques ont été traités lors de la fabrication des dispositifs de puissance. La protection périphérique est constituée d'un JTE de 360 µm de long réalisé par implantation d'Al avec une dose de 1013 cm-2 vérifiée à partir de simulations. Six anneaux de garde sont ajoutés chacun de 5 µm de long avec un espace initial de 4 µm entre le JTE et le premier anneau. Après cela, un incrément d'espace de 0,5 µm est ajouté à l'initial, chaque fois qu'un anneau est ajouté (c'est-à-dire que l'espace entre le 1er et le 2ème anneau est de 4,5 µm, entre le 2ème et le 3ème est de 5 µm). Quatre plaquettes ont été traitées dans une salle blanche à l'ESIEE Paris, et des caractérisations inverses à haute tension ont été réalisées à l'aide d'une station de sonde sous vide à l'Institut de Saint-Louis, France. Le BJT npn fabriqué a enregistré une tension de claquage à émetteur ouvert BVCBO jusqu'à +11 kV avec une densité de courant de fuite de 0,1 mA/cm2. Les caractérisations directes I-V ont été réalisées à température ambiante au laboratoire Ampère à Lyon. Le gain de courant continu maximum atteint par la zone active de 0,56 mm2 est de (β = 27) à un courant de base (IB = 80 mA) et une tension de collecteur VCE = 13 V, ce qui donne une densité de courant de 123 A/cm2.

Stratégie d'optimisation de la résistance à la corrosion caverneuse de la nuance à base nickel 825

Doctorant : Hugo Klinklin

Laboratoire INSA : MATEIS

Ecole doctorale : ED34 : Matériaux de Lyon

Les alliages à base de nickel sont utilisés dans divers domaines d’applications comme la pétrochimie, ou le nucléaire du fait de leur résistance mécanique et leur résistance à la corrosion à haute température. L’alliage 625 est utilisé pour le plaquage des aciers utilisés pour les pipelines car il est résistant à la corrosion sous H2S et en eau de mer. La nuance 825, moins coûteuse est candidate au remplacement de la nuance 625. Cependant, elle ne résiste pas à la corrosion caverneuse. L’objectif de cette thèse est double : (i) identifier l’origine de la sensibilité à la corrosion caverneuse de la nuance à partir des mécanismes électrochimiques mis en jeu. (ii) élaborer et caractériser des modifications de la nuance 825 pour améliorer sa résistance à la corrosion caverneuse. Le comportement électrochimique de la nuance 825 a été caractérisé en plein bain et dans une cellule à couche mince confinant un faible volume d’électrolyte à la surface de l’échantillon pour reproduire les phénomènes de corrosion caverneuse. Cette cellule a été développée et instrumentée pour suivre à la fois l’évolution de la chimie de l’électrolyte  et le comportement électrochimique du matériau. L’analyse des diagrammes d’impédance a permis la quantification des paramètres relatifs au suivi de la passivation lors des étapes de corrosion caverneuse et les modes de corrosion observés en eau de mer naturelle ont été reproduits en laboratoire. Des modifications du montage ont été effectuées pour diminuer significativement la période d’incubation de la corrosion caverneuse. Enfin, des modifications de la composition de la nuance 825 ont été  proposés pour maîtriser l’état de précipitation et modifier la chimie du film passif. L’enrichissement en azote est une voie prometteuse permettant l’amélioration de la résistance à la corrosion caverneuse par le contrôle de l’acidité de l’électrolyte et le renforcement de la passivation.

 

Investigation of Ambient Radio-Frequency Energy Harvesting using a Rapid Prototyping Plastronic Approach

Doctorant : Xuan Viet Linh NGUYEN

Laboratoire INSA : Ampère

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

A barrier to overcome of Internet of Things (IoT) devices is their autonomic energy supply scheme and Radio Frequency Energy Harvester (RFEH) is selected among recent energy harvester mechanisms (thermal, mechanical, light, etc.). Another interesting aspect is the possibility of integrating the RFEH onto the surface of polymeric objects. This seems impossible with PCB and FLEX-PCB, but possible with Plastronics. Therefore, the objective is to demonstrate the feasibility of RFEH with Plastronics technology developed in our laboratory, suitable for prototyping. This technology, called Rapid Plastronics, is based on fabricating substrates using Stereolithography (SLA), and realizing the conductive traces applying Electroless Deposition (ELD). The objective was not to develop this technology, but to apply it in the RFEH context.
This thesis is conducted in the following phases.
In the first phase, the studies of materials manufacturing process (Stereolithography (SLA) substrate, ELD copper) in Rapid Plastronics, relative permittivity, loss tangent of the substrate, and resistivity of the conductor are carried out.
In the second phase, designs of patch antenna for the energy harvesting (EH) applications are discussed. A fundamental linearly polarized patch antenna operating at 2.45 GHz is studied, and the impacts of the SLA substrate and the ELD copper on the antenna’s performance are mentioned. Then, the circularly polarized patch antennas being able to capture all the polarizations are studied. The third phase is about the RF-DC rectifiers, the proposed Power Management Unit (PMU), and  the electrical interconnection between the designed antennas, the rectifiers and the PMU. Moreover, identifying the optimal load of the rectifier that offers a vision of setting up the impedance interference between the designed rectifier and the PMU will be also introduced.
In the last phase, the performance of the assembling of the PMU, the rectifiers and the antennas will be analyzed.
 

Refroidissement radiatif des cellules et modules solaires par structuration de surface

Doctorant : Jérémy DUMOULIN

Laboratoire INSA : INL

Ecole doctorale : ED160 : Electronique, Electrotechnique, Automatique

Les cellules et modules photovoltaïques s’échauffent considérablement en conditions réelles de fonctionnement, ce qui est néfaste pour leur rendement de conversion et leur durée de vie. L'objectif de cette thèse est d'étudier une stratégie novatrice pour limiter leur échauffement : le refroidissement par échange radiatif avec le ciel. Cette approche consiste à optimiser l'échange radiatif dans les gammes spectrales où il n'y a pas de conversion photovoltaïque, notamment dans le moyen infrarouge pour profiter de la fenêtre de transparence qu'offre l’atmosphère dans la gamme 8-13 µm.
Grâce à des développements théoriques et numériques, le bénéfice théorique que le refroidissement radiatif avec le ciel peut apporter aux dispositifs PV a d'abord été quantifié, et le profil d'émissivité idéal pour les dispositifs photovoltaïques a été déterminé. Les pistes expérimentales prometteuses pour atteindre ce profil ont également été mises en lumière. A l'échelle d'un module en silicium cristallin, il apparaît que les voies les plus engageantes concernent l'ingénierie de l'interface air-verre. A cet égard, une structure optique basée sur une multicouche diélectrique est proposée et analysée. Pour guider d'éventuelles études futures, un ensemble d'outils numériques et méthodologiques pour trouver, concevoir, et quantifier le bénéfice des structures optiques a été développé.
En complément de ces résultats spécifiques au refroidissement radiatif avec le ciel, un modèle opto-électro-thermique est présenté. Ce dernier a pour but de prédire les performances en conditions réelles de fonctionnement directement à partir de la connaissance des matériaux et de l'architecture de la cellule. Nous montrons comment ce modèle d'un nouveau genre permet d'ouvrir de nouvelles voies pour continuer à augmenter la production d'électricité photovoltaïque via une ingénierie plus consciente des effets thermiques.