Thèse Etude des Mécanismes de Recristallisation du Carbure de Silicium Polycristallin H/F

Université Grenoble Alpes

Établissement : Université Grenoble Alpes
École doctorale : I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production
Laboratoire de recherche : Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés
Direction de la thèse : Didier CHAUSSENDE ORCID 0000000241808749
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59

Cette thèse porte sur l'étude des mécanismes de recristallisation du carbure de silicium (SiC) polycristallin, un matériau stratégique pour des applications exigeantes grâce à ses propriétés mécaniques, thermiques et électroniques exceptionnelles. Le processus de recristallisation, activé par des traitements thermiques à très haute température (jusqu'à 2200°C), permet d'améliorer significativement les performances du SiC. Cependant, les mécanismes fondamentaux régissant ce phénomène - notamment l'impact de la microstructure initiale (comme les joints de grains, les macles, les dislocations ou les défauts ponctuels), du dopage à l'azote (utilisé pour ajuster la résistivité), et des conditions de traitement (atmosphère, durée, température) - restent mal compris. Une compréhension fine de ces mécanismes est essentielle pour optimiser les procédés de recuit et concevoir des matériaux SiC polycristallins aux performances sur mesures. Cette thèse propose une approche intégrée, alliant caractérisations multi-échelles (EBSD, MET-ASTAR, diffraction X au synchrotron), traitements thermiques à très haute température, et modélisation cinétique pour élucider ces mécanismes. Les résultats visent à optimiser les procédés de recuit en corrélant les évolutions microstructurales avec les propriétés électriques et mécaniques du SiC.

Le carbure de silicium (SiC) polycristallin est un matériau clé pour de nombreuses applications, grâce à une combinaison très intéressante de propriétés mécaniques, thermiques et électroniques. Il a été montré qu'à partir des couches épaisses élaborées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), la recristallisation, activée par des traitements thermiques à haute température, permettait d'améliorer significativement les propriétés fonctionnelles du SiC. Pourtant, les mécanismes fondamentaux de ce processus, en particulier l'influence de la microstructure initiale (défauts cristallins : joints de grains, macles, fautes d'empilement, dislocations), du dopage (défauts ponctuels) et des conditions de traitements, restent mal compris.
Le dopage à l'azote, couramment utilisé pour réduire la résistivité du SiC, introduit des défauts ponctuels et modifie la mobilité atomique, ce qui peut favoriser la germination et la croissance des grains recristallisés. Par ailleurs, les joints de grains, en particulier ceux à haute énergie, ainsi que les macles incohérentes, jouent un rôle clé dans la recristallisation en agissant comme des sites privilégiés pour la germination. La mobilité de ces interfaces détermine quant à elle la croissance des nouveaux grains. Une compréhension approfondie de ces mécanismes est donc essentielle pour optimiser les procédés de recuit et développer des poly-SiC performants.
Cette thèse propose une approche intégrée combinant caractérisation multi-échelle, expériences de recuits à haute température et modélisation des phénomènes pour élucider les mécanismes de recristallisation dans le SiC.

Cette thèse vise à étudier les mécanismes de recristallisation du SiC polycristallin en se concentrant sur l'évolution microstructurale et son lien avec les propriétés électriques et mécaniques. L'étude caractérisera l'influence des défauts cristallins et du dopage (en particulier l'azote) sur la germination et la croissance des grains recristallisés. Elle analysera également les cinétiques de transformation lors de recuits à haute température (jusqu'à 2200°C) sous différentes atmosphères (vide, argon).
Un objectif clé sera de développer des modèles cinétiques décrivant les lois de transformation, en intégrant les mécanismes de germination et de croissance des grains, ainsi que l'effet du dopage et des défauts cristallins. Enfin, cette thèse corrélera les évolutions microstructurales avec les propriétés électriques (résistivité) et mécaniques (relaxation des contraintes) du SiC, afin d'optimiser les procédés de recuit en vue d'applications potentielles.

Des échantillons de SiC polycristallin, dopés ou non, seront préparés et soumis à des recuits à haute température dont les paramètres de recuit seront variés pour étudier leur influence sur la cinétique de recristallisation (température, temps, atmosphère, sous charge ou non).
Les caractérisations microstructurales avancées seront menées par une combinaison de techniques telles que EBSD, MET-ASTAR, techniques de diffractions à l'ESRF (µLaue, microscopies X) qui permettra de cartographier et de quantifier les paramètres physiques influant (champs de déformations, défauts, joints de grains, orientation cristalline, taille des grains, fraction recristallisée ...) pendant la recristallisation.
Les mesures des propriétés physiques, telles que la résistivité électrique et l'analyse des contraintes résiduelles, permettront de corréler les évolutions microstructurales avec les propriétés du matériau. Les données expérimentales seront analysées pour développer des modèles cinétiques décrivant les lois de transformation pendant la recristallisation.