À gauche :image au microscope optique des MOSCAP et des MOSFET à déplétion profonde au diamant (D2MOSFET) de ce travail. En haut à droite :Image au microscope électronique à balayage d'un D2MOSFET en diamant soumis à une étude électrique. S :Source, G :porte, D :Égoutter. En bas à droite :concept D2MOSFET. L'état passant du transistor est assuré grâce au régime d'accumulation ou de bande plate. Le canal à haute mobilité est l'épicouche de diamant dopé au bore. L'état off est obtenu grâce au régime d'épuisement profond, qui n'est stable que pour les semi-conducteurs à large bande interdite. Pour une tension de grille supérieure à un seuil donné, le canal est fermé en raison de la couche profondément et complètement appauvrie sous la porte. Crédit :Institut NÉEL
Le silicium a apporté d'énormes avantages à l'industrie de l'électronique de puissance. Mais les performances de l'électronique de puissance à base de silicium approchent de leur capacité maximale.
Entrez dans les semi-conducteurs à large bande interdite (WBG). Considéré comme nettement plus économe en énergie, ils sont devenus des concurrents de premier plan dans le développement de transistors à effet de champ (FET) pour l'électronique de puissance de nouvelle génération. Une telle technologie FET profiterait à tous, de la distribution par le réseau électrique de sources d'énergie renouvelables aux moteurs de voitures et de trains.
Le diamant est largement reconnu comme le matériau le plus idéal dans le développement de WBG, grâce à ses propriétés physiques supérieures, qui permettent aux appareils de fonctionner à des températures beaucoup plus élevées, tensions et fréquences, avec des pertes de semi-conducteurs réduites.
Un défi majeur, cependant, à réaliser le plein potentiel du diamant dans un type important de FET, à savoir, transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFET) - est la capacité d'augmenter la mobilité des porteurs de canaux de trous. Cette mobilité, lié à la facilité avec laquelle le courant circule, est essentiel pour le courant à l'état passant des MOSFET.
Chercheurs de France, le Royaume-Uni et le Japon intègrent une nouvelle approche pour résoudre ce problème en utilisant le régime d'appauvrissement en profondeur des MOSFET de diamant dopé au bore en vrac. La nouvelle preuve de concept permet la production de structures MOSFET en diamant simples à partir d'empilements d'épicouches uniques dopés au bore. Cette nouvelle méthode, spécifique aux semi-conducteurs WBG, augmente la mobilité d'un ordre de grandeur. Les résultats sont publiés cette semaine dans Lettres de physique appliquée .
Dans une structure MOSFET typique, une couche d'oxyde puis une grille métallique sont formées au-dessus d'un semi-conducteur, qui dans ce cas est le diamant. En appliquant une tension à la grille métallique, la densité de porteurs, et donc la conductivité, de la région du diamant juste sous la porte, la chaîne, peut être radicalement modifié. La possibilité d'utiliser cet "effet de champ" électrique pour contrôler la conductivité du canal et faire passer les MOSFETS de conducteur (état activé) à hautement isolant (état désactivé) entraîne leur utilisation dans les applications de contrôle de puissance. De nombreux MOSFET en diamant démontrés à ce jour reposent sur une surface de diamant à terminaison hydrogène pour transférer des porteurs chargés positivement, connu sous le nom de trous, dans le canal. Plus récemment, fonctionnement de structures MOS diamant à terminaison oxygène en régime d'inversion, similaire au mode de fonctionnement commun des MOSFETS au silicium, a été démontré. Le courant à l'état passant d'un MOSFET dépend fortement de la mobilité du canal et dans bon nombre de ces conceptions de MOSFET, la mobilité est sensible à la rugosité et aux états de défaut à l'interface oxyde-diamant où se produit une diffusion indésirable des porteurs.
Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont exploré un mode de fonctionnement différent, le concept d'épuisement profond. Pour construire leur MOSFET, les chercheurs ont déposé une couche d'oxyde d'aluminium (Al2O3) à 380 degrés Celsius sur une épaisse couche épitaxiale de diamant à terminaison oxygène. Ils ont créé des trous dans la couche de diamant en incorporant des atomes de bore dans la couche. Le bore a un électron de valence de moins que le carbone, donc l'inclure laisse un électron manquant qui agit comme l'ajout d'une charge positive, ou trou. L'épicouche en vrac fonctionnait comme un canal à trous conducteurs épais. Le transistor a été commuté de l'état passant à l'état bloqué par application d'une tension qui a repoussé et épuisé les trous - la région d'épuisement profond. Dans les transistors à base de silicium, cette tension aurait également entraîné la formation d'une couche d'inversion et le transistor ne se serait pas bloqué. Les auteurs ont pu démontrer que les propriétés uniques du diamant, et en particulier la grande bande interdite, suppression de la formation de la couche d'inversion permettant un fonctionnement en régime d'épuisement profond.
"Nous avons fabriqué un transistor dans lequel l'état passant est assuré par la conduction du canal massif à travers l'épicouche de diamant dopé au bore, " dit Julien Pernot, chercheur à l'Institut NEEL en France et auteur de l'article. "L'état désactivé est assuré par l'épaisse couche isolante induite par le régime d'épuisement profond. Notre preuve de concept ouvre la voie à l'exploitation complète du potentiel du diamant pour les applications MOSFET." Les chercheurs prévoient de produire ces structures via leur nouvelle startup appelée DiamFab.
Pernot a observé que des principes similaires de ce travail pourraient s'appliquer à d'autres semi-conducteurs WBG. "Le bore est la solution de dopage pour le diamant, " Pernot a dit, "mais d'autres impuretés dopantes conviendraient probablement pour permettre à d'autres semi-conducteurs à large bande interdite d'atteindre un régime d'épuisement profond stable."
