Les oxydes isolants sont des composés contenant de l'oxygène qui ne conduisent pas l'électricité, mais peuvent parfois former des interfaces conductrices lorsqu'elles sont superposées avec précision. Les électrons conducteurs à l'interface forment un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) qui possède des propriétés quantiques exotiques qui rendent le système potentiellement utile dans les applications électroniques et photoniques.

Des chercheurs de l'Université de Yale ont maintenant développé un système 2DEG sur l'arséniure de gallium, un semi-conducteur efficace pour absorber et émettre de la lumière. Ce développement est prometteur pour de nouveaux appareils électroniques qui interagissent avec la lumière, tels que de nouveaux types de transistors, interrupteurs supraconducteurs et capteurs de gaz.

"Je vois cela comme un bloc de construction pour l'électronique d'oxyde, " dit Lior Kornblum, maintenant du Technion - Israel Institute of Technology, qui décrit la nouvelle recherche publiée cette semaine dans le Journal de physique appliquée .

Les oxydes 2DEG ont été découverts en 2004. Les chercheurs ont été surpris de découvrir que la prise en sandwich de deux couches de certains oxydes isolants peut générer des électrons conducteurs qui se comportent comme un gaz ou un liquide près de l'interface entre les oxydes et peuvent transporter des informations.

Les chercheurs ont déjà observé des 2DEG avec des semi-conducteurs, mais les oxydes 2DEG ont des densités électroniques beaucoup plus élevées, ce qui en fait des candidats prometteurs pour certaines candidatures électroniques. Les oxydes 2DEG ont des propriétés quantiques intéressantes, s'intéressant également à leurs propriétés fondamentales. Par exemple, les systèmes semblent présenter une combinaison de comportements magnétiques et de supraconductivité.

Généralement, il est difficile de produire en masse des oxydes 2DEG car seuls de petits morceaux des cristaux d'oxyde nécessaires sont disponibles, dit Kornblum. Si, cependant, les chercheurs peuvent cultiver les oxydes sur de grandes, plaquettes semi-conductrices disponibles dans le commerce, ils peuvent ensuite mettre à l'échelle les 2DEG d'oxyde pour des applications réelles. La croissance des oxydes 2DEG sur des semi-conducteurs permet également aux chercheurs de mieux intégrer les structures avec l'électronique conventionnelle. Selon Kornblum, permettre aux électrons d'oxyde d'interagir avec les électrons dans le semi-conducteur pourrait conduire à de nouvelles fonctionnalités et à davantage de types de dispositifs.

L'équipe de Yale a précédemment développé des oxydes 2DEG sur des plaquettes de silicium. Dans le nouveau travail, ils ont réussi à faire pousser des oxydes 2DEG sur un autre semi-conducteur important, arséniure de gallium, ce qui s'est avéré plus difficile.

La plupart des semi-conducteurs réagissent avec l'oxygène de l'air et forment une couche de surface désordonnée, qu'il faut éliminer avant de faire croître ces oxydes sur le semi-conducteur. Pour le silicium, le retrait est relativement facile :les chercheurs chauffent le semi-conducteur sous vide. Cette approche, cependant, ne fonctionne pas bien avec l'arséniure de gallium.

Au lieu, l'équipe de recherche a recouvert une surface propre d'une plaquette d'arséniure de gallium avec une couche d'arsenic. L'arsenic protégeait la surface du semi-conducteur de l'air pendant qu'ils transféraient la plaquette dans un instrument qui fait croître des oxydes à l'aide d'une méthode appelée épitaxie par faisceau moléculaire. Cela permet à un matériau de croître sur un autre tout en maintenant une structure cristalline ordonnée à travers l'interface.

Prochain, les chercheurs ont doucement chauffé la plaquette pour évaporer la fine couche d'arsenic, exposer la surface semi-conductrice vierge en dessous. Ils ont ensuite fait croître un oxyde appelé SrTiO3 sur l'arséniure de gallium et, juste après, une autre couche d'oxyde de GdTiO3. Ce processus a formé un 2DEG entre les oxydes.

L'arséniure de gallium n'est qu'un élément d'une classe entière de matériaux appelés semi-conducteurs III-V, et ce travail ouvre une voie pour intégrer les oxydes 2DEG avec d'autres.

« La possibilité de coupler ou d'intégrer ces intéressants gaz d'électrons bidimensionnels d'oxyde avec l'arséniure de gallium ouvre la voie à des dispositifs qui pourraient bénéficier des propriétés électriques et optiques du semi-conducteur, " Kornblum a déclaré. "Il s'agit d'un matériau de passerelle pour les autres membres de cette famille de semi-conducteurs."