Les ingénieurs électriciens de l'Université de l'Illinois ont franchi un autre obstacle dans la fabrication de semi-conducteurs haute puissance en ajoutant le matériau le plus chaud du domaine, l'oxyde de bêta-gallium, à leur arsenal. L'oxyde de bêta-gallium est facilement disponible et promet de convertir l'énergie plus rapidement et plus efficacement que les principaux matériaux semi-conducteurs actuels :le nitrure de gallium et le silicium, les chercheurs ont dit.

Leurs conclusions sont publiées dans la revue ACS Nano .

Les transistors plats sont devenus à peu près aussi petits qu'il est physiquement possible, mais les chercheurs ont résolu ce problème en allant à la verticale. Avec une technique appelée gravure chimique assistée par métal - ou MacEtch - U. des ingénieurs d'I. ont utilisé une solution chimique pour graver un semi-conducteur en structures d'ailettes 3D. Les ailettes augmentent la surface sur une puce, permettant plus de transistors ou de courant, et peut donc gérer plus de puissance tout en gardant l'empreinte de la puce de la même taille.

Développé à l'U. of I., la méthode MacEtch est supérieure aux techniques de gravure "à sec" traditionnelles car elle endommage beaucoup moins les surfaces délicates des semi-conducteurs, tels que l'oxyde de bêta-gallium, les chercheurs ont dit.

"L'oxyde de gallium a un écart énergétique plus large dans lequel les électrons peuvent se déplacer librement, " a déclaré Xiuling Li, auteur principal de l'étude, professeur de génie électrique et informatique. "Cet écart énergétique doit être important pour l'électronique avec des tensions plus élevées et même celles à basse tension avec des fréquences de commutation rapides, nous sommes donc très intéressés par ce type de matériau pour une utilisation dans les appareils modernes. Cependant, il a une structure cristalline plus complexe que le silicium pur, ce qui le rend difficile à contrôler pendant le processus de gravure."

L'application de MacEtch aux cristaux d'oxyde de gallium pourrait profiter à l'industrie des semi-conducteurs, Li a dit, mais l'avancement n'est pas sans obstacles.

"À l'heure actuelle, le processus de gravure est très lent, " dit-elle. " En raison de la vitesse lente et de la structure cristalline complexe du matériau, les ailerons 3D produits ne sont pas parfaitement verticaux, et les ailerons verticaux sont idéaux pour une utilisation efficace de la puissance."

Dans la nouvelle étude, le substrat d'oxyde de bêta-gallium réalisé triangulaire, ailerons trapézoïdaux et coniques, en fonction de l'orientation de la disposition du catalyseur métallique par rapport aux cristaux. Bien que ces formes ne soient pas idéales, les chercheurs ont été surpris de constater qu'ils font toujours un meilleur travail de conduction de courant que l'appartement, surfaces d'oxyde de bêta-gallium non gravées.

"Nous ne savons pas pourquoi c'est le cas, mais nous commençons à avoir des indices en effectuant des caractérisations au niveau atomique du matériau, " L'essentiel est que nous avons montré qu'il est possible d'utiliser le procédé MacEtch pour fabriquer de l'oxyde de bêta-gallium, une alternative potentiellement peu coûteuse au nitrure de gallium, avec une bonne qualité d'interface."

Li a déclaré que des recherches supplémentaires devront s'attaquer au taux de gravure lent, permettre des dispositifs à haute performance d'oxyde de bêta-gallium, et essayer de contourner le problème de la faible conductivité thermique.

"L'augmentation du taux de gravure devrait améliorer la capacité du processus à former plus d'ailettes verticales, " dit-elle. " C'est parce que le processus se déroulera si rapidement qu'il n'aura pas le temps de réagir à toutes les différences d'orientation des cristaux. "

Le problème de la faible conductivité thermique est un problème plus profond, elle a dit. "L'électronique haute puissance produit beaucoup de chaleur, et les chercheurs en dispositifs recherchent activement des solutions d'ingénierie thermique. Bien qu'il s'agisse actuellement d'un aspect largement ouvert dans le domaine des semi-conducteurs, Des structures 3D comme celles que nous avons démontrées pourraient aider à mieux guider la chaleur dans certains types d'appareils."