Offre de stage
Structure électronique de matériaux massifs en présence de contraintes, d’alliage et d’hétéro-structures à base d’InSb
La structure électronique des matériaux est un aspect clef pour la compréhension de leur comportement. Son calcul requiert des approximations successives car l’explicitation d’un Hamiltonien du cristal « complet » et les calculs des valeurs propres est hors de portée, même des calculateurs les plus performants.
La structure électronique donne accès à de nombreuses grandeurs (la fonction diélectrique, le tenseur piézoélectrique, les constantes de forces interatomiques pour la relation de dispersion des phonons, …) qui sont indispensables dans de nombreux outils de modélisation du transport (Monte Carlo, NEGF, …)
On distingue des approches dites ab-initio et des approches semi-empiriques qui moyennant quelques paramètres d’ajustement fournissent des résultats satisfaisants (à 5-6 eV de part et d’autre de la bande interdite). C’est souvent très suffisant mais ces approches ne sont pas toujours faciles à obtenir par manque de résultats de mesures. Des calculs ab-initio sont alors nécessaires.
Nous proposons un stage s’appuyant très largement sur la théorie de la fonctionnelle densité (DFT) pour accéder à la structure électronique. Pour cela les le candidat utilisera soit le logiciel logiciel Quantum Espresso ou Abinit. Il s’agira pour lui :
- De calculer la structure électronique de matériaux massifs peu ou mal connus tels qu’InSb et In1-xAlxSb utiles pour la réalisation de photo-détecteurs dans l’IR performants. Le très fort couplage spin-orbite d’InSb rend les calculs de la structure électronique délicats.
- Il conviendra d’inclure des effets de contraintes.
- Puis de modéliser l’hétérojonction InSb/In1-xAlxSb
Les résultats utilisant diverses fonctionnelles d’échange et de corrélation (GGA ou hybrides) seront confrontés à des calculs G0W0 quand ce sera pertinent. L’avantage des fonctionnelles GGA ou hybrides est la rapidité de calcul mais l’énergie de la bande interdite peut être mésestimée.
La masse de résultats obtenus permettra d’améliorer les calculs opérés en k.p multi-bandes et par l’approche des pseudo-potentiels empiriques. Ces derniers outils sont mieux adaptés lorsqu’il faut générer des millions de calculs, comme c’est le cas pour les simulateurs Monte-Carlo, car les hamiltoniens sont beaucoup plus petits.
Le travail pourra donner lieu à une poursuite en thèse.
Personne à contacter :
| C2N : UMR CNRS 9001–Université Paris Saclay, avenue Thomas Gobert 91120 Palaiseau Frédéric Aniel : Tel: 01 70 27 04 13frederic.aniel@c2n.upsaclay.fr
Anne Sophie Grimault anne-sophie.grimault@u-psud.fr>
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LSIJelena Sjakste
jelena.sjakste@polytechnique.edu
Nathalie VAST Nathalie.Vast@polytechnique.edu
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Proposition de stage : Optimisation de diodes Schottky pour la rectification et le doublement de fréquence au THz
La gamme de fréquence Terahertz (THz) suscite beaucoup d’intérêts. Les composants optoélectroniques et nanoélectroniques très hautes fréquences voient leur performance progresser et combler progressivement la frontière entre l’électronique et l’optique. Diverses applications émergent dans cette gamme de fréquences telles que les télécommunications, la spectroscopie (chimie, physique, astronomie), l’imagerie médicale et le domaine de la sécurité et de défense. La recherche de notre équipe porte sur la conception et l’optimisation de nouveaux détecteurs et de sources qui seraient compactes, électriquement accordables, consommant de faible puissance, réalisables à faible coût et enfin, les plus efficaces possible
Pour les sources THz, nous souhaitons recourir à des multiplieurs de fréquence (i.e. un circuit permettant d’obtenir en sortie une fréquence multiple de la fréquence d’entrée), et pour les détecteurs nous misons sur des circuits de rectification qui fournissent une réponse continue (ou BF) à un signal HF ou THz. Ces deux types de circuits utilisent des diodes Schottky. L’objectif du stage est d’optimiser des diodes Schottky GaAs aux fréquences THz pour ces deux applications spécifiques.
Les deux architectures de circuits requièrent des cellules d’adaptation. On privilégie un modèle électrique non linéaire de la diode Schottly nécessaire à la méthode d’équilibrage harmonique dans l’environnement ADS de Keysight.
Le travail proposé s’inscrit dans la continuité de travaux antérieurs menés dans l’équipe. Un code Monte Carlo (modélisation physique 1D) permet de modéliser le cœur de la diode en incluant tous les effets physiques importants, des modélisations avec le logiciel commercial Silvaco permettent d’accéder aux éléments parasites 2D ou 3D, un modèle électrique Non Linéaire (NL) performant a été validé. Enfin des modélisations sous ADS (équilibrage harmonique) ont déjà été entreprises pour les 2 types de fonctions visées.
Schéma équivalent intrinsèque complet d’une diode Schottky au THz
Six paramètres physiques et géométriques de la diode contrôlent largement son fonctionnement au THz. Il s’agit des épaisseurs et des dopages des zones dites N et N+, de la surface de la diode et de la hauteur de barrière Schottky à l’interface M/SC. Moyennant des hypothèses et des simplifications nous tenterons d’optimiser les diodes en fonctions de seulement 3 paramètres : L’épaisseur et le dopage de la zone N (ND, LD) et la surface (S) de la diode (qui dépend étroitement de la puissance d’excitation).
Organisation du travail
- Modélisation des capacités et des résistances parasites des diodes Schottky avec Silvaco
- Génération du modèle NL de ces deux éléments parasites
- Affiner le modèle électrique de l’ionisation par choc de la diode Schottky
- Optimisations des 3 paramètres ND, LD et S pour la rectification
- Optimisations des 3 paramètres ND, LD et S pour le doubleur de fréquence
Suivant la formation et les goûts de l’étudiant, le travail comprendra des doses variables de physiques et d’éléments de conception de circuits HF/THz sous ADS. Ce travail peut se poursuivre en thèse.
Personne à contacter : Frédéric Aniel : Tel: 01 70 27 04 13, frederic.aniel@c2n.upsaclay.fr
C2N : UMR CNRS 9001–Université Paris Saclay, avenue Thomas Gobert 91120 Palaiseau