Étude des effets des radiations sur les composants de puissance à large bande interdite pour les applications spatiales // Investigation of radiation effects in wide-bandgap power devices for space applications

Les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG), tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), se sont imposés comme des matériaux clés pour l'électronique de puissance de nouvelle génération. Leur capacité à fonctionner à des tensions, des températures et des fréquences de commutation plus élevées que les dispositifs au silicium permet d'améliorer considérablement les performances thermiques, la densité de puissance et le rendement [1, 2]. Ces caractéristiques rendent les dispositifs WBG très attractifs pour des applications dans l'espace, l'avionique, les environnements nucléaires et les accélérateurs de haute énergie, où la fiabilité dans des conditions extrêmes est essentielle. Les effets des rayonnements restent toutefois un défi majeur. L'exposition aux ions lourds, aux protons et aux neutrons peut induire des effets à événement unique (SEE) et des dommages cumulatifs (c'est-à-dire la dose ionisante (TID) et les dommages par déplacement (DD)), entraînant une dégradation des performances et compromettant en fin de compte la fiabilité du système [3-9]. La compréhension de ces mécanismes et l'identification de stratégies d'atténuation constituent donc des étapes cruciales vers l'adoption généralisée des dispositifs de puissance WBG dans l'espace et, plus généralement, dans les environnements irradiés.
Ce projet de doctorat se concentre sur les effets des rayonnements et la fiabilité des dispositifs de puissance à semi-conducteurs à grand gap (WBG), en mettant particulièrement l'accent sur les technologies commerciales SiC et GaN. L'un des objectifs centraux est de modéliser les processus de dégradation tant au niveau microscopique qu'au niveau des dispositifs, dans le but d'identifier les mécanismes de dégradation communs aux différentes technologies WBG. Grâce à des études expérimentales et à des simulations, l'objectif final sera d'étudier la sensibilité aux rayonnements des dispositifs WBG en milieu spatial et, par conséquent, d'améliorer la fiabilité de l'ensemble du système d'alimentation.
Le projet combinera des études expérimentales et des simulations afin de développer des modèles prédictifs des mécanismes de dégradation et de défaillance. Une campagne d'essais sera menée dans des installations européennes fournissant un faisceau d'ions lourds représentatif des applications spatiales. De plus, des experiences avec une source gamma seront réalisées à l'aide des installations de la plateforme PRESERVE. En combinant les données expérimentales avec des simulations TCAD, des modèles prédictifs des mécanismes de dégradation et de défaillance pour les technologies WBG seront étudiés. Les résultats scientifiques seront présentés lors de grandes conférences internationales dans ce domaine.
Le projet sera mené au sein de l'équipe RADIAC qui rassemble des expertises complémentaires en matière d'effets des rayonnements, de physique des dispositifs, de caractérisation électrique, de simulations TCAD et d'analyse de fiabilité, offrant ainsi un environnement idéal pour aborder la nature multi-échelle des phénomènes de dégradation dans les dispositifs à large bande interdite.
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Wide-bandgap (WBG) semiconductors such as silicon carbide (SiC) and gallium nitride (GaN) have emerged as key materials for next-generation power electronics. Their ability to operate at higher voltages, temperatures, and switching frequencies compared to silicon devices enables significant improvements in thermal performance, power density, and efficiency [1, 2]. These characteristics make WBG devices highly attractive for applications in space, avionics, nuclear environments, and high-energy accelerators, where reliability under extreme conditions is essential. Radiation effects, however, remain a major challenge. Exposure to heavy ions, protons, and neutrons can induce single-event effects (SEEs) and cumulative damage (i.e., ionizing dose (TID) and displacement damage (DD)), leading to performance degradation and ultimately compromising system reliability [3-9]. Understanding these mechanisms and identifying mitigation strategies are therefore crucial steps toward the widespread adoption of WBG power devices in space and, more in general, in radiation environments.
This PhD project focuses on the radiation effects and reliability of WBG power devices, with particular emphasis on SiC and GaN commercial technologies. A central objective is to model degradation processes at both microscopic and device levels, with the goal of identifying common degradation mechanisms across different WBG technologies. Through experimental studies and simulations, the final goal will be to investigate the radiation sensitivity of the WBG devices in space and, consequently, improve the reliability of the overall power-system.
The project will combine experimental studies and simulations to develop predictive models of degradation and failure mechanisms. Radiation test campaign will be performed in European facilities providing heavy-ion beam representative of space applications. In addition, radiation testing with gamma source will be performed using the platform PRESERVE facilities. By combining experimental data with TCAD simulations, predictive models of degradation and failure mechanisms for WBG technologies will be studied. The scientific results will be presented at major international conferences in the field.
The project will be carried out within the RADIAC team, which brings together complementary expertise in radiation effects, device physics, electrical characterization, TCAD simulations, and reliability analysis, providing an ideal environment to address the multi-scale nature of degradation phenomena in wide-bandgap devices.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

• Le/la candidat/candidate doit être titulaire d'un master en électronique, génie électrique, physique, génie nucléaire, science des matériaux ou dans un domaine connexe. • Le/la candidat/candidate doit manifester un vif intérêt pour la physique des semi-conducteurs, l'électronique de puissance, les effets des rayonnements, la fiabilité ou la physique des dispositifs. Une expérience dans les domaines de l'électronique de puissance, des techniques de caractérisation électrique, des essais de résistance aux rayonnements, de l'analyse de données, de la programmation, des simulations numériques, des outils TCAD et de la fabrication sera considérée comme un atout. • Une bonne maîtrise de l'anglais écrit et parlé est requise. La connaissance du français serait appréciée mais n'est pas obligatoire. Le/la candidat/candidate doit également être disposé à se rendre dans des sites européens pour des campagnes expérimentales et des collaborations.
• The candidate should hold a Master's degree in electronics, electrical engineering, physics, nuclear engineering, materials science, or a related field. • The candidate should have a strong interest in semiconductor physics, power electronics, radiation effects, reliability, or device physics. Experience with power electronics, electrical characterization techniques, radiation testing, data analysis, programming, numerical simulations, TCAD tools and manufacturing will be considered an advantage. • Good written and spoken English is required. Knowledge of French would be appreciated but is not mandatory. The candidate should also be willing to travel to European facilities for experimental campaigns and collaborations.