Une nouvelle méthode permettant d'assembler des couches de semi-conducteurs aussi fines que quelques nanomètres a abouti non seulement à une découverte scientifique, mais également à un nouveau type de transistor pour les appareils électroniques de haute puissance. Le résultat, publié dans Applied Physics Letters, a suscité un énorme intérêt.
Cette réalisation est le résultat d'une étroite collaboration entre des scientifiques de l'Université de Linköping et SweGaN, une entreprise dérivée de la recherche en science des matériaux à LiU. L'entreprise fabrique des composants électroniques sur mesure à partir de nitrure de gallium.
Le nitrure de gallium, GaN, est un semi-conducteur utilisé pour les diodes électroluminescentes efficaces. Il peut cependant également être utile dans d’autres applications, telles que les transistors, car il peut résister à des températures et à des intensités de courant plus élevées que de nombreux autres semi-conducteurs. Ce sont des propriétés importantes pour les futurs composants électroniques, notamment ceux utilisés dans les véhicules électriques.
La vapeur de nitrure de gallium peut se condenser sur une tranche de carbure de silicium, formant une fine couche. La méthode dans laquelle un matériau cristallin est cultivé sur le substrat d’un autre est connue sous le nom d’« épitaxie ». La méthode est souvent utilisée dans l’industrie des semi-conducteurs car elle offre une grande liberté dans la détermination de la structure cristalline et de la composition chimique du film nanométrique formé.
La combinaison de nitrure de gallium, GaN, et de carbure de silicium, SiC (tous deux capables de résister à des champs électriques puissants), garantit que les circuits conviennent aux applications dans lesquelles des puissances élevées sont nécessaires.
L'ajustement en surface entre les deux matériaux cristallins, le nitrure de gallium et le carbure de silicium, est cependant médiocre. Les atomes finissent par ne plus correspondre les uns aux autres, ce qui entraîne une défaillance du transistor. Ce problème a été résolu par des recherches qui ont ensuite conduit à une solution commerciale dans laquelle une couche encore plus fine de nitrure d'aluminium était placée entre les deux couches.
Les ingénieurs de SweGaN ont remarqué par hasard que leurs transistors pouvaient supporter des intensités de champ nettement plus élevées que prévu, et ils ne comprenaient pas au départ pourquoi. La réponse peut être trouvée au niveau atomique, dans quelques surfaces intermédiaires critiques à l’intérieur des composants.
Des chercheurs de LiU et SweGaN, dirigés par Lars Hultman et Jun Lu de LiU, présentent dans Applied Physics Letters une explication du phénomène et décrivent une méthode pour fabriquer des transistors avec une capacité encore plus grande à résister à des tensions élevées.
Les scientifiques ont découvert un mécanisme de croissance épitaxiale jusqu’alors inconnu qu’ils ont appelé « croissance épitaxiale transmorphique ». Cela provoque l’absorption progressive de la contrainte entre les différentes couches sur quelques couches d’atomes. Cela signifie qu'ils peuvent faire croître les deux couches, le nitrure de gallium et le nitrure d'aluminium, sur du carbure de silicium de manière à contrôler au niveau atomique la façon dont les couches sont liées les unes aux autres dans le matériau. En laboratoire, ils ont montré que le matériau résiste à des tensions élevées, jusqu'à 1 800 V. Si une telle tension était appliquée aux bornes d'un composant classique à base de silicium, des étincelles se mettraient à voler et le transistor serait détruit.
« Nous félicitons SweGaN alors qu'ils commencent à commercialiser l'invention. Il montre une collaboration efficace et l’utilisation des résultats de la recherche dans la société. Grâce aux contacts étroits que nous entretenons avec nos anciens collègues qui travaillent désormais pour l'entreprise, nos recherches ont rapidement un impact également en dehors du monde universitaire », explique Lars Hultman.
Matériel fourni par l'Université de Linköping. Original écrit par Monica Westman Svenselius. Remarque : Le contenu peut être modifié en termes de style et de longueur.
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Heure de publication : 11 mai 2020