Alors que les consommateurs du monde entier sont devenus de plus en plus dépendants de l'électronique, le transistor, un composant semi-conducteur central au fonctionnement de ces dispositifs, est devenu un sujet critique de la recherche scientifique. Au cours des dernières décennies, les scientifiques et les ingénieurs ont pu à la fois réduire la taille moyenne des transistors et réduire considérablement leurs coûts de production. La génération actuelle de smartphones, par exemple, repose sur des puces qui comportent chacune plus de 3,3 milliards de transistors.

La plupart des transistors sont à base de silicium et la technologie du silicium a entraîné la révolution informatique. Dans certaines applications, cependant, le silicium a des limites importantes. Ceux-ci incluent l'utilisation dans des appareils électroniques à haute puissance et dans des environnements difficiles comme le moteur d'une voiture ou sous un bombardement de rayons cosmiques dans l'espace. Les appareils en silicium sont sujets à des hésitations et à des défaillances dans des environnements difficiles.

Relever ces défis, Jiangwei Liu, de l'Institut national japonais des sciences des matériaux, et ses collègues décrivent de nouveaux travaux de développement de transistors à base de diamant cette semaine dans le journal Lettres de physique appliquée .

"Les transistors à base de silicium souffrent souvent de pertes de commutation élevées pendant la transmission de puissance et échouent lorsqu'ils sont exposés à des températures ou à des niveaux de rayonnement extrêmement élevés, "                                                                                                            ; il y a eu beaucoup d'intérêt au sein de la communauté scientifique au sens large pour déterminer un moyen de construire des transistors utilisant des diamants manufacturés, qui sont un matériau très résistant."

Et avec cet intérêt même à l'esprit, l'équipe a développé un nouveau procédé de fabrication impliquant le diamant, rapprocher "l'électronique durcie" de la réalisation.

"Les diamants manufacturés ont un certain nombre de propriétés physiques qui les rendent très intéressants pour les chercheurs travaillant avec des transistors, " a déclaré Yasuo Koide, professeur et scientifique principal à l'Institut national des sciences des matériaux à la tête du groupe de recherche. « Non seulement ce sont des matériaux physiquement durs, ils conduisent également bien la chaleur, ce qui signifie qu'ils peuvent supporter des niveaux de puissance élevés et fonctionner à des températures plus élevées. En outre, ils peuvent supporter des tensions plus élevées que les matériaux semi-conducteurs existants avant de tomber en panne."

Le groupe de recherche a concentré ses travaux sur les transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) à mode d'enrichissement, un type de transistor qui est couramment utilisé en électronique. L'une des caractéristiques distinctives des transistors est l'inclusion d'une borne isolée appelée « grille » dont la tension d'entrée détermine si le transistor conduira l'électricité ou non.

"L'un des développements qui rend notre procédé de fabrication innovant est que nous avons déposé un isolant d'oxyde d'yttrium (Y2O3) directement sur la surface du diamant [pour former la grille], " a déclaré Liu. "Nous avons ajouté l'oxyde d'yttrium au diamant avec une technique connue sous le nom d'évaporation par faisceau d'électrons, qui consiste à utiliser un faisceau d'électrons pour transformer des molécules d'oxyde d'yttrium de l'état solide à l'état gazeux afin qu'elles puissent recouvrir une surface et se solidifier dessus."

Selon Liu, l'oxyde d'yttrium a de nombreuses qualités souhaitables, y compris une stabilité thermique élevée, forte affinité pour l'oxygène et énergie à large bande interdite, ce qui contribue à ses capacités d'isolant.

"Une autre innovation était que l'oxyde d'yttrium était déposé en une seule couche, " Liu a dit. " Dans notre travail précédent, nous avons créé des bi-couches d'oxyde, mais une seule couche est attrayante car elle est moins difficile et moins chère à fabriquer. »

Liu et ses collègues espèrent affiner leur compréhension du mouvement des électrons à travers le transistor en diamant avec de futurs projets de recherche.

"Nous travaillons avec un type de diamant manufacturé qui a une couche d'hydrogène à sa surface. L'un des défis importants à l'avenir sera de comprendre le mécanisme de conduction des électrons à travers cette couche carbone-hydrogène, " dit Liu.

"Finalement, l'objectif de notre équipe est de construire des circuits intégrés avec des diamants, " a déclaré Koide. " Dans cet esprit, nous espérons que notre travail pourra soutenir le développement d'appareils économes en énergie qui peuvent fonctionner dans des conditions de chaleur ou de rayonnement extrême."