Une nouvelle méthode d'assemblage de couches de semi-conducteurs d'une épaisseur de quelques nanomètres seulement a permis une découverte scientifique majeure et la création d'un nouveau type de transistor pour les dispositifs électroniques de puissance. Ces résultats, publiés dans la revue Applied Physics Letters, ont suscité un vif intérêt.
Cette réussite est le fruit d'une étroite collaboration entre des scientifiques de l'Université de Linköping et SweGaN, une entreprise issue de la recherche en science des matériaux menée à LiU. Cette entreprise fabrique des composants électroniques sur mesure à base de nitrure de gallium.
Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur utilisé dans les diodes électroluminescentes (DEL) à haut rendement. Il pourrait également s'avérer utile dans d'autres applications, comme les transistors, car il supporte des températures et des intensités de courant plus élevées que de nombreux autres semi-conducteurs. Ces propriétés sont essentielles pour les futurs composants électroniques, notamment ceux destinés aux véhicules électriques.
On laisse la vapeur de nitrure de gallium se condenser sur une plaquette de carbure de silicium, formant ainsi un revêtement mince. Le procédé de croissance d'un matériau cristallin sur un substrat d'un autre est appelé « épitaxie ». Cette méthode est fréquemment utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs car elle offre une grande liberté quant au choix de la structure cristalline et de la composition chimique du film nanométrique formé.
L'association du nitrure de gallium, GaN, et du carbure de silicium, SiC (tous deux capables de résister à de forts champs électriques) garantit que les circuits conviennent aux applications nécessitant des puissances élevées.
L'interface entre les deux matériaux cristallins, le nitrure de gallium et le carbure de silicium, est cependant médiocre. Les atomes se retrouvent mal alignés, ce qui entraîne la défaillance du transistor. Des recherches ont permis de remédier à ce problème et ont abouti à une solution commerciale : l'insertion d'une couche encore plus fine de nitrure d'aluminium entre les deux couches.
Les ingénieurs de SweGaN ont constaté par hasard que leurs transistors supportaient des champs électriques bien plus intenses que prévu, sans en comprendre immédiatement la raison. La réponse se trouve à l'échelle atomique, au niveau de quelques surfaces intermédiaires critiques à l'intérieur des composants.
Des chercheurs de LiU et de SweGaN, dirigés par Lars Hultman et Jun Lu de LiU, présentent dans Applied Physics Letters une explication du phénomène et décrivent une méthode de fabrication de transistors ayant une capacité encore plus grande à résister aux hautes tensions.
Des scientifiques ont découvert un mécanisme de croissance épitaxiale jusqu'alors inconnu, qu'ils ont baptisé « croissance épitaxiale transmorphique ». Ce mécanisme permet une absorption progressive des contraintes entre les différentes couches sur plusieurs couches atomiques. Ainsi, ils peuvent faire croître deux couches, le nitrure de gallium et le nitrure d'aluminium, sur du carbure de silicium de manière à contrôler, à l'échelle atomique, la relation entre ces couches au sein du matériau. En laboratoire, ils ont démontré que ce matériau résiste à des tensions élevées, jusqu'à 1 800 V. Si une telle tension était appliquée à un composant classique à base de silicium, des étincelles se produiraient et le transistor serait détruit.
« Nous félicitons SweGaN pour le lancement de la commercialisation de cette invention. Cela témoigne d'une collaboration efficace et de la mise à profit des résultats de la recherche dans la société. Grâce aux liens étroits que nous entretenons avec nos anciens collègues qui travaillent désormais pour l'entreprise, nos recherches ont rapidement un impact, même en dehors du monde universitaire », déclare Lars Hultman.
Documents fournis par l'Université de Linköping. Texte original de Monica Westman Svenselius. Remarque : Le contenu peut avoir été modifié pour des raisons de style et de longueur.
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Date de publication : 11 mai 2020