La prochaine génération d'électronique de puissance écoénergétique, systèmes de communication à haute fréquence, et l'éclairage à semi-conducteurs repose sur des matériaux connus sous le nom de semi-conducteurs à large bande interdite. Les circuits basés sur ces matériaux peuvent fonctionner à des densités de puissance beaucoup plus élevées et avec des pertes de puissance plus faibles que les circuits à base de silicium. Ces matériaux ont permis une révolution dans l'éclairage LED, qui a conduit au prix Nobel de physique en 2014.

Dans de nouvelles expériences rapportées dans Lettres de physique appliquée , les chercheurs ont montré qu'un semi-conducteur à large bande interdite appelé oxyde de gallium (Ga2O3) peut être transformé en structures à l'échelle nanométrique qui permettent aux électrons de se déplacer beaucoup plus rapidement dans la structure cristalline. Avec des électrons qui se déplacent avec une telle facilité, Le Ga2O3 pourrait être un matériau prometteur pour des applications telles que les systèmes de communication à haute fréquence et l'électronique de puissance à haut rendement énergétique.

"L'oxyde de gallium a le potentiel de permettre des transistors qui surpasseraient la technologie actuelle, " a déclaré Siddharth Rajan de l'Ohio State University, qui a dirigé la recherche.

Parce que Ga2O3 a l'une des plus grandes bandes interdites (l'énergie nécessaire pour exciter un électron afin qu'il soit conducteur) des matériaux à large bande interdite développés comme alternatives au silicium, il est particulièrement utile pour les appareils haute puissance et haute fréquence. Il est également unique parmi les semi-conducteurs à large bande interdite en ce qu'il peut être produit directement à partir de sa forme fondue, qui permet la fabrication à grande échelle de cristaux de haute qualité.

Pour une utilisation dans les appareils électroniques, les électrons dans le matériau doivent pouvoir se déplacer facilement sous un champ électrique, une propriété appelée mobilité électronique élevée. "C'est un paramètre clé pour tout appareil, " dit Rajan. Normalement, peupler un semi-conducteur avec des électrons, le matériau est dopé avec d'autres éléments. Le problème, cependant, est que les dopants diffusent également des électrons, limitant la mobilité électronique du matériau.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé une technique connue sous le nom de dopage par modulation. L'approche a été développée pour la première fois en 1979 par Takashi Mimura pour créer un transistor à haute mobilité électronique à l'arséniure de gallium, qui a remporté le prix de Kyoto en 2017. S'il s'agit désormais d'une technique couramment utilisée pour atteindre une grande mobilité, son application au Ga2O3 est quelque chose de nouveau.

Dans leur travail, les chercheurs ont créé une soi-disant hétérostructure semi-conductrice, créer une interface atomiquement parfaite entre Ga2O3 et son alliage avec l'aluminium, oxyde d'aluminium et de gallium - deux semi-conducteurs avec la même structure cristalline mais des écarts énergétiques différents. A quelques nanomètres de l'interface, noyé à l'intérieur de l'oxyde de gallium d'aluminium, est une feuille d'impuretés donneuses d'électrons de seulement quelques atomes d'épaisseur. Les électrons donnés sont transférés dans le Ga2O3, formant un gaz d'électrons 2-D. Mais parce que les électrons sont désormais également séparés des dopants (d'où le terme dopage par modulation) dans l'oxyde d'aluminium et de gallium de quelques nanomètres, ils se dispersent beaucoup moins et restent très mobiles.

En utilisant cette technique, les chercheurs ont atteint des mobilités record. Les chercheurs ont également pu observer les oscillations de Shubnikov-de Haas, un phénomène quantique dans lequel l'augmentation de la force d'un champ magnétique externe fait osciller la résistance du matériau. Ces oscillations confirment la formation du gaz d'électrons 2-D à haute mobilité et permettent aux chercheurs de mesurer les propriétés critiques des matériaux.

Rajan a expliqué que de telles structures dopées par modulation pourraient conduire à une nouvelle classe de structures quantiques et d'électronique qui exploite le potentiel de Ga2O3.