Le silicium est depuis longtemps le matériau de prédilection dans le monde de la microélectronique et de la technologie des semi-conducteurs. Mais le silicium fait toujours face à des limites, en particulier avec l'évolutivité pour les applications de puissance. Pousser la technologie des semi-conducteurs à son plein potentiel nécessite des conceptions plus petites à une densité d'énergie plus élevée.

"L'une des plus grandes lacunes dans le monde de la microélectronique est toujours une bonne utilisation de l'énergie :les concepteurs cherchent toujours à réduire la consommation d'énergie excessive et la génération de chaleur inutile, " a déclaré Gregg Jessen, ingénieur principal en électronique au Laboratoire de recherche de l'Armée de l'Air. "D'habitude, vous feriez cela en mettant à l'échelle les appareils. Mais les technologies utilisées aujourd'hui sont déjà mises à l'échelle près de leurs limites pour la tension de fonctionnement souhaitée dans de nombreuses applications. Ils sont limités par leur intensité de champ électrique critique."

Les oxydes conducteurs transparents sont un matériau émergent clé dans la technologie des semi-conducteurs, offrant la combinaison improbable de conductivité et de transparence sur le spectre visuel. Un oxyde conducteur en particulier possède des propriétés uniques qui lui permettent de bien fonctionner en commutation de puissance :Ga2O3, ou oxyde de gallium, un matériau avec une bande interdite incroyablement large.

Dans leur article publié cette semaine dans Lettres de physique appliquée , les auteurs Masataka Higashiwaki et Jessen présentent un cas pour produire de la microélectronique à l'aide d'oxyde de gallium. Les auteurs se concentrent sur les transistors à effet de champ (FET), dispositifs qui pourraient grandement bénéficier de la grande intensité du champ électrique critique de l'oxyde de gallium. une qualité qui, selon Jessen, pourrait permettre la conception de FET avec des géométries plus petites et des profils de dopage agressifs qui détruiraient tout autre matériau FET.

La flexibilité du matériau pour diverses applications est due à sa large gamme de conductivités possibles (de très conductrice à très isolante) et à ses capacités de tension de claquage élevée en raison de son intensité de champ électrique. Par conséquent, l'oxyde de gallium peut être entartré à un degré extrême. Des plaquettes d'oxyde de gallium de grande surface peuvent également être cultivées à partir de la fonte, baisse des coûts de fabrication.

"La prochaine application de l'oxyde de gallium sera les FET unipolaires pour les alimentations, " a déclaré Jessen. " L'intensité du champ critique est la mesure clé ici, et il en résulte des capacités de densité d'énergie supérieures. L'intensité du champ critique de l'oxyde de gallium est plus de 20 fois celle du silicium et plus de deux fois celle du carbure de silicium et du nitrure de gallium."

Les auteurs discutent des méthodes de fabrication des plaquettes de Ga2O3, la capacité de contrôler la densité électronique, et les défis du transport des trous. Leurs recherches suggèrent que les appareils Ga2O3 unipolaires domineront. Leur article détaille également les applications du Ga2O3 dans différents types de FET et comment le matériau peut être utile en haute tension, applications de haute puissance et de commutation de puissance.

« Du point de vue de la recherche, l'oxyde de gallium est vraiment excitant, " a déclaré Jessen. " Nous commençons tout juste à comprendre le plein potentiel de ces appareils pour plusieurs applications, et c'est le moment idéal pour s'impliquer sur le terrain."