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La miniaturisation à l’échelle nanométrique des dispositifs semi-conducteurs a conduit à des avancées majeures en opto/nanoélectronique. Cependant, cette réduction d’échelle de l’appareil a également entraîné des problèmes technologiques. Parmi eux, l’un des plus néfastes est l’effet d’auto-échauffement dû à la thermalisation des porteurs chauds générés par les champs électriques élevés. Cet effet d’auto-échauffement entraîne une réduction significative des performances et de la durée de vie des appareils. D’autre part, la réfrigération de l’ensemble des systèmes est extrêmement consommatrice d’énergie. Le développement d’un refroidissement efficace est alors l’un des enjeux scientifiques et environnementaux majeurs.
L’objectif de la thèse est alors de concevoir, à partir de simulations de transport quantique, une nouvelle génération de nano-dispositifs de refroidissement . L’étudiant se concentrera sur les hétérostructures semi-conductrices multibarrières puisque nous avons récemment démontré qu’un dispositif asymétrique à double barrière GaAs-AlGaAs (Fig.1-a)) peut agir sur la réfrigération du bain électronique et phononique [1-3]. Dans cette structure, des électrons « froids » sont injectés dans le puits quantique (QW) via un effet tunnel résonant à travers une mince barrière de potentiel. Les électrons « chauds » sont extraits du QW par un processus thermoionique au-dessus de l’alliage épais d’AlGaAs. En conséquence, le réseau du QW se refroidit et celui de la bonne région se réchauffe. Nous avons montré qu’un tel dispositif d’injection à basse énergie/extraction à haute énergie peut induire un refroidissement des électrons grâce à un effet évaporatif [2] (Voir Fig.1-b)). En particulier, la figure 1-c) montre que la température des électrons dans le QW est réduite de 50 K par rapport à la température ambiante .
Le doctorant développera et utilisera un code atomistique de transport quantique « interne » basé sur le formalisme de la fonction de Green hors équilibre (NEGF). Nous avons mis en œuvre une méthode numériquement efficace pour traiter les interactions électron-phonon et phonon-phonon [4], qui a conduit à des simulations quantiques NEGF capables de calculer toutes les propriétés physiques du système, y compris les profils de température des électrons et des phonons.
Collaboration avec le LIMMS-Université de Tokyo, ENS-Paris, IPVF-Saclay :
Cette bourse de doctorat fait partie du projet ANR GELATO qui implique quatre partenaires : IM2NP, LIMMS-UTokyo, LPENS et IPVF.
Le doctorant sera inscrit à Aix-Marseille Université dans l’équipe Nanodevice Quantum Simulation du laboratoire IM2NP ( www.im2np.fr ). Il/elle sera en charge de la partie théorique/simulation du projet et bénéficiera de moyens de calcul de pointe avec un cluster local de plus de 600 cœurs. De plus, il/elle sera en interaction étroite avec les membres du groupe du Pr Hirakawa au LIMMS-UTokyo ( https://thz.iis.u-tokyo.ac.jp/en/ ), en charge de la partie expérimentale . Des déplacements semestriels entre la France et le Japon seront également programmés pour renforcer les interactions.
Critères d’éligibilité des candidats :
Les candidats doivent être titulaires d’un master en physique, science des matériaux ou génie électrique. Une expérience en programmation serait appréciée.
Pour plus d’informations , veuillez contacter :
Dr Marc Bescond
IM2NP UMR-CNRS 7334 à l’Université d’Aix-Marseille.
e-mail : marc.bescond@im2np.fr
Les références :
- M. Bescond, D. Logoteta, F. Michelini, N. Cavassilas, T. Yan, A. Yangui, M. Lannoo, H. Hirakawa, « Dispositifs de refroidissement thermoioniques basés sur l’hétérostructure AlGaAs/GaAs à tunnel résonant », J. Phys .: Condens. Matière , 30 , 064005 (2018).
- A. Yangui, M. Bescond, T. Yan, N. Nagai et K. Hirakawa, « Refroidissement par évaporation des électrons dans les hétérostructures semi-conductrices asymétriques à double barrière », Nature Commun. 10 , 4504 (2019).
- M. Bescond et K. Hirakawa, « Dispositifs de refroidissement thermoioniques haute performance basés sur des hétérostructures semi-conductrices à barrière inclinée », Phys. Rév. Appl. , 14 , 064022 (2020).
- Y. Guo, M. Bescond, Z. Zhang, M. Luisier, M. Nomura et S. Volz, « Modélisation mécanique quantique de la diffusion phonon-phonon anharmonique dans les nanostructures », Phys. Rév. B , 102 , 195412 (2020).
