Un neurone artificiel mille fois plus économe en énergie qu’un neurone biologique

Chef d’œuvre de l’évolution, le cerveau humain est une source d’inspiration pour les scientifiques. Des chercheurs de l’IEMN et de l’Ircica ont ainsi mis au point un neurone artificiel ultra-efficace en énergie et qui reproduit très précisément les signaux électriques générés dans le cerveau. Ces travaux sont publiés dans la revue Frontiers in Neuroscience.

Dans notre cerveau, les neurones sont connectés entre eux et génèrent une réponse binaire aux informations qu’ils reçoivent des autres cellules nerveuses : soit ils émettent un signal électrique, appelé aussi potentiel d’action, soit ils restent silencieux. Ce système est à la base de tous nos processus cognitifs et moteurs. Des chercheurs de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université Lille I/ISEN Lille/Université Valenciennes Hainaut-Cambresis/École centrale de Lille) et de l’Institut de recherche sur les composants logiciels et matériels pour l’information et la communication avancée (Ircica, CNRS/Université Lille 1) ont reproduit ces propriétés à l’aide de dispositifs électroniques nanométriques.

Mesurant quelques microns carrés, ces neurones artificiels sont disposés en grand nombre sur un circuit intégré en silicium. Ils ne consomment que quelques dizaines de femtojoules (10-15 J) lors de la génération d’un potentiel d’action. Une performance énergétique environ 1000 fois supérieure à celle d’un neurone biologique, et qui dépasse de plusieurs ordres de grandeur celle de tous les autres neurones artificiels existants. Ces travaux ouvrent de nombreuses perspectives, comme la création de réseaux ultra-faible énergie pour l’intelligence artificielle. Ils pourraient également servir à développer les interactions entre neurones artificiels et neurones vivants, par exemple pour traiter des maladies comme celle de Parkinson ou réparer des altérations de la moelle épinière. Cette étude remet au passage en cause l’idée que les neurones naturels sont parfaitement optimisés sur le plan énergétique.

Contacts chercheurs :
Alain Cappy – IEMN et Ircica
Contact communication INSIS :
insis.communication@cnrs.fr

Références :

A 4-fJ/Spike Artificial Neuron in 65 nm CMOS Technology
Ilias Sourikopoulos, Sara Hedayat, Christophe Loyez, François Danneville, Virginie Hoel, Eric Mercier and Alain Cappy
Front. Neurosci., 15 March 2017
https://doi.org/10.3389/fnins.2017.00123

Extrait de l’article      __________________________________________________________________________

Ilias Sourikopoulos 1  –  Sara Hedayat 1  –  Christophe Loyez 1, 2,  –  François Danneville 1, 2,  –  Virginie Hoel 1, 2,  –  Eric Mercier 3, 4 and Alain Cappy 1, 2

  • 1 CNRS, Université Lille, USR 3380 – IRCICA, Lille, France,
  • 2 CNRS, Université Lille, ISEN, Université Valenciennes, UMR 8520 – IEMN, Lille, France,
  • 3 Université Grenoble Alpes, Grenoble, Grenoble, France,
  • 4 CEA, LETI, MINATEC Campus, Grenoble, France

As Moore’s law reaches its end, traditional computing technology based on the Von Neumann architecture is facing fundamental limits. Among them is poor energy efficiency. This situation motivates the investigation of different processing information paradigms, such as the use of spiking neural networks (SNNs), which also introduce cognitive characteristics. As applications at very high scale are addressed, the energy dissipation needs to be minimized. This effort starts from the neuron cell. In this context, this paper presents the design of an original artificial neuron, in standard 65 nm CMOS technology with optimized energy efficiency. The neuron circuit response is designed as an approximation of the Morris-Lecar theoretical model. In order to implement the non-linear gating variables, which control the ionic channel currents, transistors operating in deep subthreshold are employed. Two different circuit variants describing the neuron model equations have been developed. The first one features spike characteristics, which correlate well with a biological neuron model. The second one is a simplification of the first, designed to exhibit higher spiking frequencies, targeting large scale bio-inspired information processing applications. The most important feature of the fabricated circuits is the energy efficiency of a few femtojoules per spike, which improves prior state-of-the-art by two to three orders of magnitude. This performance is achieved by minimizing two key parameters: the supply voltage and the related membrane capacitance. Meanwhile, the obtained standby power at a resting output does not exceed tens of picowatts. The two variants were sized to 200 and 35 μm2 with the latter reaching a spiking output frequency of 26 kHz. This performance level could address various contexts, such as highly integrated neuro-processors for robotics, neuroscience or medical applications.

Introduction

Computing technology, based on binary coding, Von Neumann architecture and CMOS technology, is currently reaching certain limits (Waldrop, 2016). Traditional computers, the champions for the resolution of complex equation systems, have difficulties to classify/organize data, something that the human brain seems to accomplish effectively. For this reason, research in the field of Artificial Neural Networks (ANNs) is attracting much attention and is quickly developing worldwide. At the bottom of these efforts lies the ultimate goal to realize machines that could surpass the human brain, in some aspects of cognitive intelligence. In that sense, brain research and ANNs bear the promise of a new computing paradigm.

Currently, traditional, discrete-time, digital ANNs, fueled by the unprecedented computational capability of modern Graphics Processing Units (GPUs), represent the state-of-the-art for addressing cognitive tasks (Oh and Jung, 2004; LeCun et al., 2015) such the ones encountered in computer vision applications. However, it is the more recent class of Spiking Neural Networks (SNNs), often referred to as the third generation of neural networks, that are known to be bio-realistic and more computationally potent compared with their predecessors (Maass, 1997). The functional similarity with the actual biological networks permits envisioning, apart from interfacing or reproducing brain processes, the implementation of circuits and systems with cognitive characteristics without explicit programming tasks. This would endow the modern generation of computers with the capacity to learn from input data.

In SNNs, neuronal communication is carried out in the form of noise-robust, signal pulses or “spikes.” SNNs try to reproduce the physical characteristics of the brain, through highly connected neurons dendrites and axons. At present, two main methodologies fulfill neuro-inspired computing tasks: digital simulation and hardware implementation.

In digital simulations, the dynamics of neuronal models are coded in software and calculated on general-purpose digital hardware. Digital simulations have the advantage that they can be reliably programmed using numerical operations of very high precision. However, their reliability comes at the cost of high circuit complexity, which is necessary for the data transfer, exchange and processing (Cao et al., 2015). Accordingly, the energy consumption remains still very high, especially as one juxtaposes biological data for comparison. For instance, the brain of the cat is emulated at the cost of a power dissipation in the megawatt range (Ananthanarayanan et al., 2009), while the animal brain actually consumes only a couple of watts.

As far as hardware implementations of SNNs are concerned, the alternative, “neuromorphic,” approach consists of employing VLSI circuit technology, namely CMOS fabrication processes which can be possibly associated with more advanced device technology such as memristors (Kim et al., 2012). The analog hardware approach consists of a large-scale integration of silicon artificial neurons (AN) and synapses, in an attempt to produce low power neuro-inspired architectures compatible with the current electronics technology.

The efficiency of such architectures can be revealed in contrast to the energy consumption of biological neurons (BN). Brain activity needs a continuous exchange of ions through the cell membrane and these exchanges correspond to the charge and discharge of the neuron capacitance (soma, dendrite, and axon). As a consequence, the important parameters for energy dissipation are the membrane capacitance and the voltage swing. Membrane capacitance varies considerably according to the type of neuron cell, ranging from picofarads to nanofarads for the largest ones (Amzica and Neckelmann, 1999; Golowasch et al., 2009; Rössert et al., 2009; Tripathy and Gerkin, 2012). Interestingly, a recent estimation of the capacitance that could be involved for computation in the human cortex is proposed in Hasler and Marr (2013). The calculations are based on a digital power model and suggest a biological system of 1012 neurons with a 0.5 Hz average firing rate. The total capacitance value is calculated at 245 pF that is high when compared with the femtofarad order common in integrated circuits. Indeed, energy savings could be envisioned in silicon AN by aiming at reducing the capacitance and/or the voltage swing.

Next to a reduced capacitance, low power operation in silicon neurons can be facilitated by the physics of the MOS transistors. Indeed, as it has been observed (Mead, 1989, 1990) the nervous system uses, as its basic operation, a current that increases exponentially with the membrane voltage, similar to the current-voltage characteristic of a MOS transistor operating in subthreshold. However, the physical origins of these exponential dependencies are very different: a non-linear voltage controlled conductance in biological membrane against a current controlled by an energy barrier in the transistor. Due to this, the MOS transistor can only asymptotically approach a slope of kT/q per e-fold of current change, while the biology is not limited as such (Mead, 1989, 1990). Even if I-V characteristics show different slopes, a bridge between the physics of biological membrane and the one of electronic devices has been established, especially when the energy and power properties are considered. This led to the advent of neuromorphic silicon neurons, which allowed neuronal spiking dynamics to be directly emulated on analog large-scale integration chips. So far, several generations of SNNs have been proposed and the reader could refer to the relevant works (Misra and Saha, 2010; Indiveri et al., 2011; Hasler and Marr, 2013) to obtain more information.

Based upon these previous works, this paper describes the design and measurement results of a new family of silicon AN. It was designed under the guidelines of (i) a biophysically meaningful model, (ii) a minimum energy dissipation, (iii) an analog circuit that would allow a complete time variation modeling of the membrane potential and (iv) a resulting topology, that when implemented in CMOS technology, it would occupy a minimum area in order to enable large scale integration. This unique combination of characteristics resulted in a neuron topology that was measured to consume several orders of magnitude less energy than the values encountered either for BN or the AN reported so far.

The rest of this paper is organized as follows: The “Materials and methods” section will be devoted to a discussion on neuron energy efficiency, the selection of the mathematical model and the circuit topology and functionality. The circuit proposed in this paper was fabricated and characterized experimentally. Both simulation and experimental results are described in the “Results” section. The “Discussion” section presents a comparison with the state of the art and highlights issues regarding noise, supply voltage sensitivity and temperature impact. Finally conclusions are drawn in the eponymous last section.

Journée Dispositifs Térahertz : simulations, réalisations et applications

le vendredi 24 mars 2017 au Laboratoire Central de l’IEMN, Villeneuve d’Ascq

THZ Near-Field Microscopy (Equipex ExCELSior)

La thématique « térahertz » est pour nombre d’entre nous au cœur de nos activités. Cependant, ce mot-clef recouvre des thèmes très variés relevant parfois de cultures différentes (Pour ne citer qu’un exemple emblématique, ce domaine peut être approché aussi bien avec les outils de l’électronique que de la photonique).

Les lasers à cascade quantique ont permis des succès remarquables pour couvrir le gap térahertz. Cependant, la réalisation de sources compactes et puissantes fonctionnant à température ambiante reste un challenge et les sources électroniques constituent une alternative sérieuse.
Aussi, pour faire un tour d’horizon de l’actualité de cette thématique au sein du laboratoire et plus largement dans la communauté, un journée thématique sur les différentes activités de simulation, mais aussi sur les travaux expérimentaux et technologiques est organisée . Outre les sources et détecteurs, les dispositifs et applications les plus variées seront envisagés.
Programme de la journée :
  • 8h45. Accueil. Introduction
  • 9h00. Abdelouahab Hamadou (LESIMS, Sétif ) « Modélisation des dispositifs à base de lasers à cascade quantique pour l’émission térahertz à température ambiante »
  • 9h55. Christophe Palermo (IES, Montpellier) « Modélisation et simulation numérique des composants électroniques pour le térahertz, sources et détecteurs »
  • 10h50. Pause
  • 11h05. Alain Maestrini (LERMA, Observatoire de Paris) : « Electronique THz pour l’observation de l’Univers à très haute résolution spectrale – missions actuelles et perspectives»
  • 12h00. Pause
  • 13h20. Emilien Peytavit (IEMN) « Génération et Détection d’ondes THz par voie Optoélectronique: Potentiel et limites »
  • 14h00. Guillaume Ducournau et Mohamed Zaknoune (IEMN) « Composants et Télécoms sans fils THz »
  • 14h40.  S. Venkatachalam, G. Ducournau, J.-F. Lampin, D. Hourlier (IEMN) « Blackglass materials for THz applications»
  • 15h00. Pause
  • 15h15. Christophe Dalle (IEMN) « Modélisation d’oscillateur THz à diode Gunn GaN distribuée »
  • 15h35. Tahsin Akalin (IEMN) « Mesures sous pointes jusqu’à 750GHz de lignes de Goubau planaires et résultats expérimentaux sur les métasurfaces et les antennes Terahertz »
  • 15h55. Ludovic Burgnies, Eric Lheurette (IEMN) « Textiles métamatériaux pour les spectres millimétrique et térahertz »
  • 16h15. Nicolas Fernez (IEMN) « Métasurfaces absorbantes désordonnées à 200 GHz » 16h35 Tomas Horak, Oleksandr Stepanenko : « Effets non-réciproques aux fréquences THz»
  • 16h55. Clôture

Pour tout renseignement complémentaire :
Jean-Luc.Thobel@iemn.univ-lille1.fr

SON ET LUMIÈRE 2017, Combiner son et lumière à l’échelle des nanos

du 17 avril au 28 avril 2017 aux Houches

Durant presque 2 semaines se retrouveront jeunes chercheurs et experts issus de différents domaines qu’il s’agisse d’acoustique, d’optique, d’opto-mécanique, de nanothermique. Tous ont en commun de s’intéresser aux phénomènes physiques mêlant phonon et photon à l’échelle nanométrique.
Cette école internationale s’adresse aux jeunes chercheurs, ingénieurs, doctorants et post-doctorants. C’est une formation doctorale. Elle est également soutenue par le CNRS au titre de la formation continue.

Le programme de l’école est construit pour d’abord offrir un savoir de base dispensé par les plus grands noms du domaine : H.J. Maris, B. Perrin, D.G. Cahill, G. Fytas, C.K. Sun, E. Weig, etc… L’accent est également mis sur les applications les plus récentes en lien avec ces sujets, domaines de recherche émergents et applications industrielles des techniques expérimentales.

Comité scientifique :

  • Natalia Del Fatti, Université Lyon 1, France
  • Barham Djafari-Rouhani, Université de Lille, France
  • Alexandro Fainstein, Centro Atomicho Bariloche, Argentina
  • Vitaly Gusev, Université du Maine, France
  • Antony Kent, University of Nottingham, United Kingdom
  • Humphrey Maris, Brown University, USA
  • Adnen Mlayah, CNRS- Université Paul Sabatier, Toulouse, France
  • Bernard Perrin, INSP Univ Pierre et Marie Curie, France
  • Pascal Ruello, Université du Maine, France
  • Alexey Sherbakov, Ioffe Institute, St.Petersbourg, Russie
  • Clivia Sotomayor-Torres, Université de Barcelone, Espagne
  • Chi Khuang. Sun, National Taiwan University, Taipei, Taiwan
  • Eva Weig, Konstanz University, Allemagne
  • Oliver Wright, University of Sapporo, Japon
  • Arnaud Devos, IEMN, Lille, France

Comité d’organisation :

  • A. Devos, Institut d’Electronique, de Microelectronique et de Nanotechnologie, Lille, France
  • C. Rossignol, Institut de Mecanique et d’Ingenierie, Bordeaux, France
  • P.-A. Mante, Lund University, Lund, Sweden
  • S. Bossut, Institut d’Electronique, de Microelectronique et de Nanotechnologie, Lille, France

Public(s) ciblé(s) :

  • Prioritairement : Les doctorants et post-doctorants, des jeunes chercheurs et des ingénieurs, débutant dans des activités de recherche en relation avec l’une des thématiques de l’école. Notons que de nombreuses équipes de recherche travaillent en France dans le domaine de l’acoustique picoseconde, la nanothermique, l’optomécanique. Cette activité est également très forte dans d’autres pays européens dont l’Allemagne.

Les dispositifs pour la santé développés au CEA-LETI

Vendredi 3 mars 2017 à 15h30, dans l’amphithéâtre du LCI.

Dans le cadre des séminaires du département MNMB, Nicolas Verplanck, project manager au CEA-LETI, viendra présenter les dispositifs pour la santé développés au CEA-LETI

*Le séminaire sera en français.

Les ondes térahertz au secours de l’Internet sans fil

Malgré l’extension du réseau 4G, l’Internet sans fil a encore besoin de nombreuses innovations pour atteindre les mêmes débits que les fibres optiques. Une équipe internationale, basée notamment à l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie, a montré que les ondes dans les environs des fréquences térahertz pouvaient prendre le relais des réseaux câblés. Ces travaux sont publiés dans Nature Photonics.

© IEMN (A. Duchêne) – Visuel qui illustre le composant principal, à savoir le composant qui permet de « passer » du monde des fibres optiques (en bas à gauche) au monde des térahertz (la spirale) pour les télécoms (petites formes en haut à droite).

En 2018, Internet représentera plus de 130 milliards de milliards d’octets de données échangés par mois. Comme la majeure partie de cette croissance est attendue sur les canaux sans fil, les infrastructures de transport ultra haut débit doivent considérablement évoluer. Cela demande des composants plus rapides, car la hausse du débit ne sera absorbée qu’avec une montée en fréquence des ondes vers le début de la bande THz (entre 220 et 350 GHz). Des chercheurs de l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Université Lille-1/ISEN Lille/Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis/École centrale de Lille) ont pu mettre en place un premier démonstrateur, sur la base de dispositifs optoélectroniques qui transforment les signaux des fibres optiques en signaux radio.

Ces démonstrations utilisent des composants optoélectroniques qui réalisent un «?photomélange?». Dans ce procédé, deux lasers sont envoyés sur une même photodiode, qui les transforme en un signal qui correspond à la différence de leurs longueurs d’onde. Cela convertit des signaux optiques de l’ordre de la centaine de THz, typiques des fibres optiques, en un signal radio autour de 300 GHz. À l’IEMN, un débit de 32 Gbit/s en mode sans fil a été transmis sur plusieurs dizaines de mètres grâce à une fréquence d’environ 400 GHz. Ces fréquences permettent un très bon compromis entre les capacités des composants et l’atténuation des ondes dans l’air, ce qui permettra à terme d’atteindre la portée requise pour un usage urbain. Cette étape permet d’avancer vers les prochains défis : une vitesse de transfert supérieure à 100 Gbit/s et des transmissions sur plus d’un kilomètre.

La technologie associée à ces travaux a été développée grâce au réseau des grandes centrales de technologie RENATECH, à l’aide des laboratoires PhLAM et IRCICA et au soutien des programmes ANR COM’TONIQ, les Equipex FLUX, Excelsior et le CPER Photonics for society.

Références :

Advances in terahertz communications accelerated by photonics,
T. Nagatsuma, G. Ducournau and C.C. Renaud
Nature Photonics – 10, 371-379 (2016)
DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.65

Contacts chercheurs :
Guillaume Ducournau – IEMN
Contact communication INSIS :
insis.communication@cnrs.fr

Productions, activités et usages des « Nanos » : Les conditions de la confiance

Vendredi 10 mars, le Lilliad Learning Center Innovation de Villeneuve d’Ascq (situé sur le campus Cité Scientifique à Villeneuve-d’Ascq au sein de la Métropole Européenne de Lille) accueillera la journée NanoLille.

Cette journée de discussion s’adresse à tous les acteurs engagés dans les nanotechnologies ou intéressés par leurs développements et leurs implications sociales et économiques. Elle vise à fournir un état des lieux particulièrement informé des connaissances disponibles et des lacunes dans chacun des domaines concernés par le développement des nanomatériaux et nanotechnologies, et à promouvoir une réflexion collective apte à baliser les prérequis d’un développement durable et responsable de ces nouvelles technologies.

Programme, tarifs et inscription : http://www.nanoresp.fr/evenements/nano-lille/

Contact : forum@nanoresp.fr

Les organisateurs

Le Forum NanoRESP (www.nanoresp.fr) est une dynamique de dialogue multi-acteurs (industriels, académiques, associatifs, pouvoirs publics) sur les nanotechnologies initiée en 2013. Soutenu par une alliance public-privé, il permet de développer une vigilance coopérative à propos des controverses et de rechercher les pratiques responsables en régime d’incertitude.

Le projet Nanoscoope (http://nanoscoope.iemn.univ-lille1.fr/) est un projet chercheurs-citoyens financé par la Région Hauts-de-France. Il organise depuis 2013 des ateliers de concertation multi-acteurs et transdisciplinaires autour des différents enjeux du développement des nanotechnologies. Nanoscoope s’est associé à d’autres partenaires pour organiser cet événement du 10 mars, qui en constitue la clôture sous cette forme.

Le Laboratoire national de métrologie et d’essais (LNE, http://www.lne.fr/), établissement public à caractère industriel et commercial (EPIC), est le laboratoire national de référence, pour l’industrie, en matière de mesures (métrologie). Il est rattaché au ministère de l’industrie.

La Direction générale des entreprises (DGE) du ministère de l’économie, de l’industrie et du numérique (http://www.entreprises.gouv.fr/) a pour mission de développer la compétitivité et la croissance des entreprises de l’industrie et des services, notamment par le soutien et la diffusion de l’innovation dans un objectif de croissance durable et d’emploi.

Séminaire : Nanostructuration at two scales in III V semiconductors to control both electronic states and photonic states: photonic crystal quantum cascade laser

04 april At 11h00 – Amphiteather IEMN-LCI Villeneuve d’Ascq
Dr. Romain Peretti, IEMN

On one hand, periodically repeated change of refractive index at the wavelength scale known as photonic crystal (PhC) affects the motion of photons in much the same way that ionic lattices affect electrons in solids. This means photons now can be depicted by Bloch modes and the well know band diagram to describe their motion in the material. Such PhC when unidimensional can be used for instance as antireflective coating when the 2 dimensional counterpart is used in solar cells or micro laser.

 

On the other hand, periodically repeated stack of semiconductor multiple quantum well heterostructures allows achieving intersuband transition in III-V semiconductors. This idea was first proposed in R.F. Kazarinov and R.A. Suris in 1971 with in mind the idea of creating a new kind of laser. Such quantum cascade laser (QCL) where then demonstrated by Faist et al. in 1994. QCLs are unipolar and laser emission coming from this intersuband transition. Since then, QCL’s made huge progresses and are now reaching more than one watt of power in the mid infrared range of the spectrum (3- 12µm), at room temperature. Still these high power lasers are multimode and all the designs aiming at single mode operation suffer from additional modes apparition when scaling up the device to reach high power. However, several applications such as military countermeasure, or laser surgeries needs high power single mode operation. Pulled by this demand, we combined QCL and PhC adopting an innovative regrowth approach to enhance even more the thermal dissipation needed by the device.

Séminaire : Nanostructured GaN devices for power applications and beyond – Pr. Elison Matioli

Dans le cadre du thème GaN, l’IEMN accueille :

Lundi 27 Mars 2017 – IEMN LCI Villeneuve d’Ascq, Salle du conseil – 10:30
Nanostructured GaN devices for power applications and beyond
Elison Matioli, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)

In this talk, I will present some of the nanowire-based technologies developed in our group to significantly enhance the performance of high-voltage GaN power devices, such as Schottky barrier diodes (SBDs) and high electron mobility transistors (HEMTs). This presentation will cover high-performance AlGaN/GaN HEMTs on silicon substrate based on nanowire tri-gate architectures. The optimized tri-gate geometry led to reduced off-state leakage current (Ioff) and sub-threshold slope (SS), increased on/off ratio, and improved breakdown voltage (Vbr) of the device. With a gate-to-drain separation (LGD) of 15 μm, hard Vbr up to 1755 V at Ioff of 45 μA/mm with high soft Vbr of 1370 V at Ioff = 1 μA/mm were achieved, rendering an excellent high-power figure of merit (FOM) up to 1.25 GW/cm2.

These nanowire-based technologies were also applied for AlGaN/GaN SBDs on silicon substrates. An optimized hybrid of tri-anode and tri-gate architectures led to SBDs exhibiting high Vbr, low reverse leakage current (IR), and small turn-on voltage (VON) of 0.76 ± 0.05 V since the tri-anode architecture formed a direct Schottky contact to the 2D electron gas (2DEG). The reverse characteristics were controlled electrostatically by an embedded tri-gate transistor, instead of relying only on the Schottky barrier, which resulted in low IR below 10 nA/mm at large reverse biases up to 500 V. In addition, these devices exhibited record Vbr up to 1325 V at IR of 1 μA/mm, rendering an excellent high-power FOM of 939 MW/cm2. These results unveil the significant potential of nanostructured GaN transistors for future power applications.

Finally, I will discuss the application of these nanostructures to better understand the electron transport in GaN-based heterostructures, which was exploited to demonstrate new ballistic devices operating at room temperature. The fast transport of ballistic electrons could offer a pathway for future room-temperature high-frequency ballistic devices.

Biography: Elison Matioli is an assistant professor in the institute of electrical engineering at Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). He received a B.Sc. degree in applied physics and applied mathematics from Ecole Polytechnique (Palaiseau, France) in 2006 and a Ph.D. degree from the Materials Department at the University of California, Santa Barbara (UCSB) in 2010. He was a post-doctoral fellow in the Department of Electrical Engineering and Computer Science at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) until 2014. His expertise is in semiconductor and nanostructure growth by metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), device fabrication and development of advanced numerical models to simulate device properties. He has received the Outstanding Graduate Student – Scientific Achievement Award for his Ph.D. thesis, the IEEE Electron Devices Society George Smith Award for his demonstration of high-efficiency nanostructured power electronic devices and the ERC Starting Grant in 2015.

 

Les offres de sujets de thèse 2017 sont en ligne …

Le Doctorat : Un passeport pour l’avenir

  • Le Doctorat permet d’approfondir des méthodes de recherche acquises pendant les premiers cycles de l’enseignement supérieur, mais aussi d’apporter un autre regard sur ces méthodes et éventuellement de coopérer à leur amélioration.
  • Le Doctorat est un diplôme requis pour passer les concours d’entrée de presque tous les organismes de recherche nationaux et internationaux
  • En France, le Doctorat est nécessaire pour accéder au concours de Maître de Conférences puis de Professeur des Universités.
  • Le Doctorat est également le vecteur pour accéder aux plus hautes fonctions de la plus grande partie des établissements de recherche nationaux/internationaux qu’ils soient publics ou privés

Consulter les sujets 2017 (PDF)

 

Batteries miniatures nomades : nouveau design 3D

DES SCIENTIFIQUES FRANÇAIS PROPOSENT UN NOUVEAU DESIGN DE MICRO-BATTERIES POUR OBJETS CONNECTÉS

Le développement des objets intelligents et connectés requiert des sources d’énergies autonomes, décentralisées et souvent miniatures, par exemple pour alimenter des micro-capteurs. La question de leur design est cruciale : chaque µm² gagné permettant d’augmenter la densité d’énergie de la batterie.

Des chercheurs français des laboratoires IMN, IEMN, UCCS et du LRCS, en partenariat avec un laboratoire américain (Argonne National Lab, ligne synchrotron APS), essaient de développer des micro-batteries lithium-ion « tout solide » capables d’alimenter ces objets afin de les rendre autonomes. Rassemblés autour d’un chercheur de l’IEMN, ils proposent une architecture performante permettant de répondre à de nombreux problèmes souvent rencontrés dans la création de batteries miniatures.

Cette architecture est construite à partir de wafer de silicium, matériau de choix dans l’industrie de la microélectronique. Le wafer est ensuite usiné pour fabriquer une structure 3D originale et robuste à base de micro-tubes simple ou double qui servira d’encrage à la micro-batterie. Cette gravure permet d’atteindre un gain de surface proche de 50 sans dénaturer son empreinte surfacique : une micro-batterie présentant une empreinte surfacique de 1 mm2 développe donc une surface spécifique de 50 mm2. Cette structuration 3D à base de micro-tubes est protégée par un brevet.

Cette architecture 3D a pour originalité d’être à une échelle micrométrique et non nanométrique. Les chercheurs ont fait ce choix car les approches nanométriques (avec des nanotubes de carbone ou des nanofils de silicium) ont le défaut d’être plus fragiles et flexibles. Par ailleurs, la faible distance entre 2 nanostructures limite drastiquement l’épaisseur de matériaux actifs déposables et donc les performances en densité d’énergie.

L’avantage de ce travail réalisé par deux doctorants (Manon Létiche – thèse IEMN/UCCS et Jeremy Freixas  – thèse IEMN/IMN) à l’échelle du micromètre est donc double. D’abord, il confère au substrat micro-structuré une robustesse permettant le dépôt de toutes les couches nécessaires (et d’épaisseur suffisante) pour produire des micro-batteries 3D de haute performance. Cette robustesse permet en outre de pouvoir manipuler les wafers de silicium sans craindre de briser les structures 3D qui résisteront ainsi à l’enduction centrifuge de résine photosensible visqueuse classiquement utilisée en microélectronique… Le tout présentant des gains de surface finalement comparables, voire meilleurs, que celui des nanostructures 3D.

Une fois ce substrat 3D de qualité créé, les chercheurs ont dû déposer dessus les matériaux nécessaires pour donne vie à la micro-batterie Li-ion. Leur travail étant une première preuve de concept et ayant pour but la finalisation d’un prototype, ils ont développé 4 des 6 couches de matériaux nécessaires à l’obtention d’une batterie complète.

La technique utilisée pour le dépôt de ces 4 premières couches et celle du dépôt par couche atomique (ALD), technique déjà utilisée à l’échelle industrielle, par exemple dans le cas du photovoltaïque, de la fabrication de transistor ou de mémoire vive dynamique (DRAM). Elle leur a permis de créer une couche isolante (Al2O3), un collecteur de courant (Pt), une électrode négative (TiO2) et un électrolyte  (Li3PO4)

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Contrairement à beaucoup de confrères et à ce qui se fait classiquement dans la fabrication de batterie, l’électrolyte est sous forme solide et non liquide. Ainsi, ces micro-batteries ne souffrent pas des limites des électrolytes liquides : inflammabilité, évaporation des solvants, fuite potentielle. Les dépôts de ces 4 couches épousent parfaitement les formes complexes des microstructures 3D (on parle de conformité) et l’électrolyte solide Li3PO4 fabriqué par ALD combine une fenêtre de stabilité électrochimique élevée (4.2 V), une haute conductivité ionique et une faible épaisseur (10 à 50 nm) générant une faible résistance surfacique.

L’ALD permet, en plus, une très bonne qualité des dépôts comme ont pu le vérifier les chercheurs par plusieurs techniques de caractérisations avancées (FIB TEM, EDX STEM, tomographie TXM synchrotron) : conformité proche de 100 %, pas d’inter-diffusion entre les couches ALD et absence de trous/fissures/craquelures.

Au final, l’équipe a montré un design attractif en regard du cahier des charges des objets connectés/miniaturisés (Internet of Things). Ces résultats découlent du travail collaboratif entre 5 laboratoires aux compétences complémentaires. A court terme, l’équipe de chercheurs va travailler sur la mise au point de films minces de matériaux d’électrode positive par ALD afin de pouvoir créer des prototypes de micro-batteries 3D fonctionnels dont les performances en densité d’énergie dépasse celles des micro-batteries planaires.

wileyAtomic layer deposition of functional layers for on Chip 3D Li-ion all solid state microbattery.
M. Létiche, E. Eustache, J. Freixas, A. Demortière, V. De Andrade, L. Morgenroth, P. Tilmant, F. Vaurette, D. Troadec, P. Roussel, T. Brousse, C. Lethien. Advanced Energy Materials, le 11 octobre 2016.
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  • IEMN CNRS UMR 8520 – Université de Lille Sciences et Technologies
  • UCCS CNRS UMR 8181 – Université Lille 1 Sciences et Technologies
  • IMN CNRS UMR 6502 – Université de Nantes
  • LRCS CNRS UMR 7314 – Université de Picardie Jules Verne

Contact chercheur : christophe.lethien@iemn.univ-lille1.fr

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