Les impuretés de carbone dans les semi-conducteurs au nitrure de gallium (GaN) affectent la croissance des cristaux de GaN et dégradent leurs performances. Crédit :Masashi Kato de l'Institut de technologie de Nagoya
L'industrie des semi-conducteurs et la quasi-totalité de l'électronique d'aujourd'hui sont dominées par le silicium. Dans les transistors, puces informatiques, et des cellules solaires, le silicium est un composant standard depuis des décennies. Mais tout cela peut changer bientôt, avec le nitrure de gallium (GaN) émergeant comme un puissant, même supérieur, alternative. Bien qu'il ne soit pas très connu, Les semi-conducteurs GaN sont présents sur le marché de l'électronique depuis les années 1990 et sont souvent utilisés dans les dispositifs électroniques de puissance en raison de leur bande interdite relativement plus grande que le silicium, un aspect qui en fait un meilleur candidat pour les applications haute tension et haute température. De plus, le courant passe plus vite à travers le GaN, ce qui garantit moins de pertes de commutation lors des applications de commutation.
Tout n'est pas parfait dans GaN, toutefois. Alors que les impuretés sont généralement souhaitables dans les semi-conducteurs, les impuretés indésirables peuvent souvent dégrader leurs performances. En GaN, les impuretés telles que les atomes de carbone conduisent souvent à de moins bonnes performances de commutation en raison du piégeage des porteurs de charge dans des «niveaux profonds, ' niveaux d'énergie créés par les défauts d'impureté dans les couches cristallines de GaN et supposés provenir de la présence d'une impureté de carbone sur un site d'azote.
Une curieuse manifestation expérimentale des niveaux profonds est l'apparition d'une luminescence jaune de longue durée dans le spectre de photoluminescence de GaN ainsi qu'un long temps de recombinaison des porteurs de charge rapporté par des techniques de caractérisation telles que la photoluminescence résolue en temps (TR-PL) et la décroissance de la photoconductivité micro-ondes ( -PCD). Cependant, le mécanisme sous-jacent à cette longévité n'est pas clair.
Dans une étude récente publiée dans Journal de physique appliquée des scientifiques japonais ont exploré l'effet des niveaux profonds sur le temps de décroissance de la luminescence jaune et la recombinaison des porteurs en observant comment les signaux TR-PL et μ-PCD changeaient avec la température. "Ce n'est qu'après avoir compris les impacts des impuretés dans les dispositifs semi-conducteurs de puissance GaN que nous pourrons pousser au développement de technologies de contrôle des impuretés dans la croissance cristalline de GaN, " déclare le professeur Masashi Kato de l'Institut de technologie de Nagoya, Japon, qui a dirigé l'étude.
Les scientifiques ont préparé deux échantillons de couches de GaN cultivées sur des substrats de GaN, l'un dopé au silicium et l'autre au fer. Le dopage involontaire d'impuretés de carbone s'est produit pendant le processus de dopage du silicium. Pour les mesures TR-PL, l'équipe a enregistré des signaux pour des températures allant jusqu'à 350 °C tandis que pour des μ-PCD jusqu'à 250 °C en raison des limitations du système. Ils ont utilisé une impulsion laser UV d'une nanoseconde pour exciter les échantillons et mesuré la réflexion des micro-ondes des échantillons pour la μ-PCD.
A basse température, les trous sont piégés dans H1 et mettent longtemps à se recombiner avec les électrons dans EC en raison de la difficulté de capture des électrons. A hautes températures, les trous s'échappent vers EV et se recombinent avec les électrons à travers le canal de recombinaison. Crédit :Masashi Kato de l'Institut de technologie de Nagoya
Les signaux TR-PL pour les deux échantillons ont montré une composante (de décroissance) plus lente avec un temps de décroissance de 0,2 à 0,4 milliseconde. En outre, l'utilisation d'un filtre passe-long avec une coupure à 461 nm a confirmé qu'il s'agissait de lumière jaune. Dans les deux échantillons, et pour les mesures TR-PL et μ-PCD, le temps de décroissance a diminué au-dessus de 200°C, conforme aux rapports précédents.
Pour expliquer ces constatations, les scientifiques ont eu recours à des calculs numériques, qui a révélé que les niveaux profonds emprisonnaient essentiellement des "trous" (absence d'électrons) qui se sont finalement recombinés avec des électrons libres, mais ont mis beaucoup de temps à le faire en raison de la très faible probabilité qu'un électron soit capturé par le niveau profond. Cependant, à haute température, les trous ont réussi à s'échapper du piège et se sont recombinés avec les électrons par un canal de recombinaison beaucoup plus rapide, expliquant la diminution du temps de décroissance.
"Pour réduire les effets de la composante de décroissance lente, nous devons soit maintenir une faible concentration en carbone, soit adopter des structures de dispositifs avec des injections de trous supprimées, " dit le professeur Kato.
Avec ces idées, ce n'est peut-être qu'une question de temps avant que les scientifiques ne trouvent comment éviter ces pièges. Mais avec l'arrivée au pouvoir de GaN, sera-ce juste une meilleure électronique?
Le professeur Kato pense le contraire. "Le GaN permet de réduire les pertes de puissance dans les appareils électroniques et donc d'économiser de l'énergie. Je pense que cela peut grandement contribuer à atténuer les effets de serre et le changement climatique, " conclut-il avec optimisme. Ces découvertes sur les impuretés peuvent donc nous conduire à un avenir plus vert !
