Nitrure de gallium, un semi-conducteur qui a révolutionné l'éclairage LED économe en énergie, pourrait également transformer l'électronique et la communication sans fil, grâce à une découverte faite par les chercheurs de Cornell.

Leur papier, "Un gaz de trou 2-D induit par polarisation dans des puits quantiques de nitrure de gallium non dopé, " a été publié le 26 septembre dans Science .

Le silicium a longtemps été le roi des semi-conducteurs, mais il a eu un peu d'aide. La matière pure est souvent augmentée, ou "dopé, " avec des impuretés comme le phosphore ou le bore pour améliorer le flux de courant en fournissant des charges négatives (électrons) ou des charges positives ("trous, " l'absence d'électrons) selon les besoins.

Dans les années récentes, un nouveau, un débutant, Une famille plus robuste de matériaux semi-conducteurs composés développés en laboratoire a émergé :les nitrures du groupe III. Le nitrure de gallium (GaN) et le nitrure d'aluminium (AlN) et leurs alliages ont une bande interdite plus large, leur permettant de supporter des tensions plus élevées et des fréquences plus élevées pour plus de rapidité, transmission d'énergie plus efficace.

"Le silicium est très efficace pour éteindre et allumer et contrôler le flux d'énergie électrique, mais quand vous le portez à des tensions élevées, il ne fonctionne pas très bien car le silicium a une faible rigidité électrique, alors que GaN peut supporter des champs électriques beaucoup plus élevés, " a déclaré la co-auteure principale Debdeep Jena, professeur de génie électrique et informatique et de science et génie des matériaux « Si vous faites de très grandes quantités de conversion d'énergie, alors les semi-conducteurs à large bande interdite tels que le GaN et le carbure de silicium sont les solutions."

Plutôt que d'utiliser des impuretés, doctorat étudiante Reet Chaudhuri, l'auteur principal de l'article, empilé une fine couche de cristal de GaN - appelée puits quantique - au-dessus d'un cristal d'AlN, et la différence dans leurs structures cristallines s'est avérée générer une forte densité de trous mobiles. Par rapport au dopage au magnésium, les chercheurs ont découvert que le gaz de trou 2D résultant rend les structures de GaN presque 10 fois plus conductrices.

En utilisant la nouvelle structure matérielle créée par Chaudhuri, co-auteur et Ph.D. L'étudiant Samuel James Bader a récemment fait la démonstration de certains des transistors GaN de type p les plus efficaces dans le cadre d'un projet collaboratif avec Intel. Maintenant que l'équipe a la capacité de fabriquer des transistors à canal de trous, appelés de type p, elle prévoit de les coupler avec des transistors de type n pour former des circuits plus complexes, ouvrant de nouvelles possibilités en commutation haute puissance, Technologie cellulaire 5G et électronique économe en énergie, y compris les chargeurs de téléphone et d'ordinateur portable.

« Il est très difficile d'obtenir simultanément le type n et le type p dans un semi-conducteur à large bande interdite. À l'heure actuelle, le carbure de silicium est le seul autre qui possède les deux en plus du GaN. Mais les électrons mobiles du carbure de silicium sont plus lents que ceux du GaN, " a déclaré le co-auteur principal Huili Grace Xing, professeur de génie électrique et informatique et de science et génie des matériaux. "En utilisant ces opérations complémentaires permises par les appareils de type n et de type p, une architecture beaucoup plus économe en énergie peut être construite.

Un autre avantage du gaz de trou 2-D est que sa conductivité s'améliore à mesure que la température est abaissée, ce qui signifie que les chercheurs seront désormais en mesure d'étudier les propriétés fondamentales du GaN d'une manière qui n'était pas possible auparavant. Tout aussi importante est sa capacité à retenir l'énergie qui serait autrement perdue dans des systèmes électriques moins efficaces.

Une demande de brevet a été déposée auprès du Center for Technology Licensing pour la découverte.