Effet du rayonnement gamma sur les mémoires non-volatile à base de hafnia pour des applications en environnements extrêmes // Effect of gamma-ray irradiation on ferroelectric, hafnia-based, non-volatile memory for use in extreme environments

L’émergence des mémoires ferroélectriques à base de HfO2 a ouvert un nouveau paradigme pour le calcul embarqué à très basse consommation d’énergie. L’oxyde d’hafnium est pleinement compatible avec la technologie CMOS et est intrinsèquement à basse consommation d’énergie, trois ordres de grandeur plus faible que d’autres technologies émergentes de mémoires non-volatile.
Ces avantages s’alignent avec les applications stratégiques dans l’espace, la défense, le médical, la sûreté nucléaire et le transport lourd, où l’électronique doit faire face aux environnements extrêmes d’irradiation.
L’imprint induit un décalage de la réponse polarisation-tension (P-V) sur l’axe du voltage, attribué au piégeage/dépiégeage de charge, épinglement des domaines et aux défauts chargés tels que les lacunes d’oxygène. Tous ces phénomènes peuvent être accentués par l’irradiation.
Le projet utilisera des techniques avancées de spectroscopie des photoélectrons, notamment la photoémission induite par des rayons X durs avec le rayonnement synchrotron, ainsi que des analyses complémentaires de structure par la microscopie électronique à haute résolution, la diffraction des rayons X et la microscopie en champ proche. Les caractérisations expérimentales seront accompagnées par des calculs théoriques pour simuler la réponse du matériau à l’irradiation.
Ce travail sera développé dans le cadre d’une collaboration étroite entre le CEA/Leti à Grenoble, fournissant les échantillons, les dispositifs intégrés et les caractérisations électriques à l’échelle du wafer, et le CEA/Iramis à Saclay où le doctorant sera basé, pour l’ensemble des analyses des propriétés des matériaux, les irradiations, les expériences avec le rayonnement synchrotron et les caractérisation à l’échelle du dispositif.

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The emergence of hafnia-based ferroelectric (FE) memories has opened a new paradigm for ultra-low-power edge computing. Hafnia is fully compatible with CMOS technology and is ultra low-power—three orders of magnitude less than other emerging memory technologies.
These advantages align with strategic applications in space, defense, medical, nuclear safety, and heavy-duty transport, where electronics face harsh radiation environments.
Imprint induces a shift of the Polarization-Voltage (P-V) curve along the voltage axis and is attributed to charge trapping/detrapping, domain pinning and charged defects. All may be accentuated under irradiation.
The project will use advanced photoelectron spectroscopy techniques including synchrotron radiation induced Hard X-ray photoelectron spectroscopy and complementary structural analysis including high-resolution electron microscopy, X-ray diffraction and near field microscopy. The experimental characterization will be accompanied by theoretical calculations to simulate the material response to irradiation
The work will be carried out in the framework of close collaboration between the CEA/Leti in Grenoble providing the samples, integrated devices and wafer scale characterization and the CEA/Iramis in Saclay for the fundamental analysis of the material properties, irradiation experiments and device scale characterizations.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé
Laboratoire : Laboratoire d’Etude des NanoStructures et Imagerie de Surface
Date de début souhaitée : 01-10-2026
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : Barrett Nicholas
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRAMIS/SPEC/LENSIS
URL : https://iramis.cea.fr/spec/lensis/pisp/nick-barrett-2/
URL : https://iramis.cea.fr/spec/lensis/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service de Physique de l’Etat Condensé

Master 2 physique