Une nouvelle méthode pour assembler des couches de semi-conducteurs aussi minces que quelques nanomètres a abouti non seulement à une découverte scientifique, mais aussi à un nouveau type de transistor pour les appareils électroniques à haute puissance. Le résultat, Publié dans Lettres de physique appliquée , a suscité un vif intérêt.

Cette réalisation est le résultat d'une étroite collaboration entre les scientifiques de l'Université de Linköping et SweGaN, une entreprise dérivée de la recherche en science des matériaux à LiU. L'entreprise fabrique des composants électroniques sur mesure à partir de nitrure de gallium.

Véhicules électriques

Nitrure de gallium, GaN, est un semi-conducteur utilisé pour les diodes électroluminescentes efficaces. Cela pourrait, cependant, également être utile dans d'autres applications, comme les transistors, car il peut résister à des températures et à des intensités de courant plus élevées que de nombreux autres semi-conducteurs. Ce sont des propriétés importantes pour les futurs composants électroniques, notamment pour ceux utilisés dans les véhicules électriques.

On laisse la vapeur de nitrure de gallium se condenser sur une plaquette de carbure de silicium, formant une fine couche. La méthode dans laquelle un matériau cristallin est développé sur le substrat d'un autre est connue sous le nom d'"épitaxie". La méthode est souvent utilisée dans l'industrie des semi-conducteurs car elle offre une grande liberté pour déterminer à la fois la structure cristalline et la composition chimique du film nanométrique formé.

La combinaison de nitrure de gallium, GaN, et carbure de silicium, SiC (qui peuvent tous deux résister à de forts champs électriques), garantit que les circuits sont adaptés aux applications dans lesquelles des puissances élevées sont nécessaires.

L'ajustement en surface entre les deux matériaux cristallins, nitrure de gallium et carbure de silicium, est, cependant, pauvres. Les atomes finissent par ne pas correspondre les uns aux autres, ce qui conduit à la défaillance du transistor. Cela a été abordé par la recherche, qui a par la suite conduit à une solution commerciale, dans lequel une couche encore plus mince de nitrure d'aluminium a été placée entre les deux couches.

Les ingénieurs de SweGaN ont remarqué par hasard que leurs transistors pouvaient supporter des intensités de champ nettement plus élevées que prévu, et ils ne pouvaient pas comprendre initialement pourquoi. La réponse se trouve au niveau atomique, dans quelques surfaces intermédiaires critiques à l'intérieur des composants.

Croissance épitaxiale transmorphe

Chercheurs de LiU et SweGaN, dirigé par Lars Hultman et Jun Lu de LiU, présenter à Lettres de physique appliquée une explication du phénomène, et décrivent un procédé de fabrication de transistors avec une capacité encore plus grande à résister à des tensions élevées.

Les scientifiques ont découvert un mécanisme de croissance épitaxiale jusqu'alors inconnu qu'ils ont nommé "croissance épitaxiale transmorphique". Cela provoque l'absorption progressive de la tension entre les différentes couches à travers quelques couches d'atomes. Cela signifie qu'ils peuvent faire croître les deux couches, nitrure de gallium et nitrure d'aluminium, sur le carbure de silicium de manière à contrôler au niveau atomique comment les couches sont liées les unes aux autres dans le matériau. En laboratoire, ils ont montré que le matériau résiste aux hautes tensions, jusqu'à 1800 V. Si une telle tension était placée aux bornes d'un composant classique à base de silicium, des étincelles commenceraient à voler et le transistor serait détruit.

"Nous félicitons SweGaN alors qu'ils commencent à commercialiser l'invention. Cela montre une collaboration efficace et l'utilisation des résultats de la recherche dans la société. En raison du contact étroit que nous avons avec nos anciens collègues qui travaillent maintenant pour l'entreprise, notre recherche a rapidement un impact également en dehors du monde académique, " dit Lars Hultman.