Utilisation de matériau 2D pour la caractérisation thermique de composants électroniques de puissance

Use of 2D materials for the Thermal characterization of Power electronic Components

• Auteur / Autrice : Mohammed Boussekri
• Direction : Raphaël Sommet, Mathieu Moreau
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Inscription en doctorat le 20/03/2024
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : XLIM SRF - Systèmes Radio-Fréquences

Mots clés

Mots clés libres

Matériaux 2D

Spéctroscopie Raman

Thermoreflectance

Température

Simulation numérique

Électronique

2D materials

Raman Spectroscopy

Thermoreflectance

Temperature

Numerical Simulation

Electronics

Résumé

Dans le cadre du projet ANR 2DTHERM, nous proposons d'utiliser des matériaux bidimensionnels (2D) comme capteurs de température locaux et de mettre en évidence leur efficacité sur des dispositifs réels en fonctionnement par spectroscopie Raman. Il convient de noter que la thermographie IR et la thermoréflectance ne mesurent que la température relative, ΔT. Ici, par spectroscopie Raman, grâce au rapport des pics Raman Stokes et anti-Stokes des matériaux 2D ou au décalage de leurs pics Raman, nous proposons de mesurer la température absolue ultralocale à travers une sonde de quelques atomes d'épaisseur à n'importe quel endroit du dispositif à l'aide de leur réponse vibratoire spécifique du réseau cristallin. Nous utiliserons des matériaux 2D, qui offrent des avantages uniques : i) Ces matériaux sont extrêmement fins (un atome d'épaisseur), ce qui permet de mesurer la température de surface avec une précision pratiquement ininterrompue ; ii) Ces matériaux peuvent être et seront transférés sur des surfaces allant d'une grande surface de cm2 à de très petits flocons de quelque μm2 pour permettre des mesures étendues à ultra-localisées au moyen d'un système '2D materials pick and place' fait maison. iii) La nature du matériau 2D sera choisie parmi une large liste d'isolants, de semi-conducteurs, de métaux..., afin d'adapter leurs propriétés thermiques et électriques en fonction des attentes souhaitées et des contraintes de l'appareil. Les propriétés de ces couches 2D pourraient même être encore plus adaptées grâce à des hétérostructures 2D multicouches. Les objectifs de 2DTherm sont : (i) développer des couches de matériaux 2D pour les intégrer efficacement sur des MOSFETs de puissance SiC et des transistors GaN. (ii) trouver la bonne solution de matériaux 2D en fonction de la technologie, en termes de conductivité électrique et thermique, d'interface de couche et de signature Raman. (iii) utiliser les résultats pour des actions correctives sur la cartographie IR et thermoréflectance et la modélisation des transistors. (iv) créer une boîte à outils pour les besoins de STM et Thales et transférer cette méthode sur d'autres technologies (GaN RF, MEMS...). Le sujet de la thèse concerne la partie simulation 3D par éléments finis des structures mises en place dans le projet 2Dtherm (transistors et matériaux 2D), les interactions des matériaux 2D avec les composants mesurés ainsi que la caractérisation de la température par des moyens comme la mesure par thermoréflectance et la mesure de type électrique de type 3omega par exemple. Nous comparerons les résultats obtenus avec ceux issus de la mesure Raman. Les travaux s'effectuerons en collaboration avec Thales TRT, ST microelectronics, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales - Université Paris-Saclay.

Within the framework of the ANR 2DTHERM project, we propose the utilization of two dimensional (2D) materials as local temperature sensors, demonstrating their efficacy on operational real devices through Raman spectroscopy. It is noteworthy that infrared thermography and thermoreflectance only measure relative temperature, ΔT. In this context, using Raman spectroscopy, we propose measuring the ultra-local absolute temperature through the ratio of Raman Stokes and anti-Stokes peaks of 2D materials or their Raman peak shifts. This enables precise surface temperature measurement with atomic-scale thickness probes at any location on the device, utilizing their specific vibrational response of the crystal lattice. We will employ 2D materials, offering unique advantages: i) Their extreme thinness (atomic thickness) allows virtually uninterrupted surface temperature measurement. ii) These materials can be transferred onto surfaces ranging from large cm2 areas to very small flakes of a few μm2, facilitating extensive to ultra-localized measurements using an in-house '2D materials pick and place' system. iii) The choice of 2D material from a broad list of insulators, semiconductors, metals, etc., allows adaptation of their thermal and electrical properties according to desired expectations and device constraints. Further customization is achievable through 2D multilayer heterostructures. The objectives of 2DTherm include: (i) Developing layers of 2D materials for effective integration into SiC power MOSFETs and GaN transistors. (ii) Identifying the optimal 2D material solution based on technology, considering electrical and thermal conductivity, layer interface, and Raman signature. (iii) Applying results for corrective actions on IR and thermoreflectance mapping and transistor modeling. (iv) Creating a toolbox for STM and Thales needs, transferring this method to other technologies (GaN RF, MEMS, etc.). The thesis focuses on the 3D finite element simulation of structures implemented in the 2Dtherm project (transistors and 2D materials). It includes the study of interactions between 2D materials and measured components, along with temperature characterization using methods such as thermoreflectance and electrical-type 3omega measurement. Comparison with Raman measurement results will be conducted. The work will be carried out in collaboration with Thales TRT, ST Microelectronics, and the Joint Physics Unit CNRS/Thales - Université Paris-Saclay.