Record de champ électrique critique pour l'oxyde de gallium

Publié par Adrien le 04/11/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Augmenter la tension et éviter le claquage des matériaux utilisés dans l'électronique de puissance reste un défi d'actualité. En ajustant le dopage avec du zinc de l'oxyde de gallium, des chercheurs et des chercheuses ont battu un record pour le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules électriquement chargées. Un tel champ permet de déterminer en tout point de...) critique avec une valeur de 13,2 MV/cm.


En haut à gauche, dispositif permettant la mesure du champ électrique supporté par le film de Ga2O3 dopé au zinc (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.).
En bas et à droite, exemples de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) semiconducteurs à grand et ultra-grand gaps, avec leurs valeurs de champ électrique critique (en MW/cm).
Les barres rouges représentent les valeurs mesurées dans ce travail pour Ga2O3, avec la valeur record de 13,2 MW/cm dans le cas du dopage au zinc, la barre blanche illustrant la valeur qui était attendue.

Les composants électroniques qui opèrent à très haute puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) nécessitent l'intégration de matériaux semi-conducteurs supportant de très forts champs électriques. La limite d'utilisation d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...) dans ces composants au-dessus de laquelle il y a claquage (En électronique ou électrotechnique, le claquage est un phénomène qui touche entre autres tous les éléments qui ont un but isolant (condensateurs...), et qui se...) électrique est déterminée par le champ électrique critique. Les matériaux les plus aptes à résister aux hautes tensions sont les matériaux semi-conducteurs dit à grand gap (supérieur à 3 eV), comme SiC et GaN. En perspective, les semi-conducteurs à "ultra-grand gap" permettront d'aller plus loin. C'est le cas du diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique. C'est le...) qui présente un champ électrique critique de 10 MV/cm, et de l'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) de gallium (Le gallium est un élément chimique, de symbole Ga et de numéro atomique 31. Sa température de fusion (29,76 °C) lui permet...) β-Ga2O3. Ce dernier, avec un champ critique estimé à 8 MV/cm, est particulièrement prometteur car, contrairement au diamant, il est déjà fabriqué en grandes surfaces adaptées aux critères industriels (jusqu'à 6 pouces).

Au-delà du gap intrinsèque au matériau, d'autres facteurs externes tels que des impuretés ou défauts résiduels et un dopage contrôlé sont déterminants pour la valeur du champ électrique critique. Le dopage contrôlé comme ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des équipements...) des matériaux a été exploité par des chercheurs et des chercheuses du Groupe d'études de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) condensée (GEMaC, CNRS/Univ Versailles St-Quentin, Univ Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...) Saclay) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (Les nanosciences et nanotechnologies (NST) peuvent être définies a minima comme l'ensemble des études et des procédés de fabrication et de manipulation de structures, de dispositifs et de...) (IEMN, CNRS/Univ Lille/Univ Polytechnique Hauts de France/Centrale Lille) au sein d'une collaboration internationale avec les universités de Tbilissi et de Barcelone (Barcelone (Barcelona en catalan et en castillan) est une commune de Catalogne - Espagne, située dans la province de Barcelone. Elle est la capitale historique, administrative et économique de la Catalogne. Elle est aussi capitale de la...).

Les chercheurs et les chercheuses ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord synthétisé le matériau sous forme d'un film mince de β-Ga2O3 sur du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) par la technique de dépôt chimique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) vapeur () de composés organométalliques (MOCVD), et ont réalisé un dispositif élémentaire permettant la mesure de la tension (La tension est une force d'extension.) de claquage (figure). Une valeur du champ critique de 6 MV/cm a été mesurée, conforme aux études précédentes. Guidés par une analyse théorique thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur et des machines thermiques ou la science des grands systèmes en...) des défauts ponctuels démontrant le caractère amphotère du dopant zinc dans β-Ga2O3 (c'est-à-dire ses propriétés à la fois de donneur ou d'accepteur d'électrons), les scientifiques ont très légèrement dopé (0,5%) en zinc les films de Ga2O3. Sur le même dispositif, un champ électrique critique record de 13,2 MV/cm est alors mesuré, au-delà de l'interpolation directe de 8 MV/cm prédite sur la seule base de la valeur du gap électronique (4.8 eV).

L'interprétation est développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la...) ici par une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) microscopique, la théorie cinétique (Le mot cinétique fait référence à la vitesse.) d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre...) par impact, qui, appliquée au caractère amphotère de Zn, démontre la réduction du libre-parcours moyen des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) libres, en même temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) que la diminution de leur concentration. Ces deux facteurs contribuent conjointement à l'augmentation du champ électrique critique. Cette étude confirme clairement les atouts que peut avoir l'oxyde de gallium pour l'électronique de puissance (L'électronique de puissance est l'une des branches de l'électrotechnique, elle concerne les dispositifs (convertisseurs) permettant de changer la forme de l'énergie électrique.) à très haute tension (La très haute tension (THT) est une ancienne dénomination de la classe des tensions utilisées pour le transport longue distance de l'électricité. Cette classe concernait les tensions supérieures à 100 000 volts.) et est publiée dans la revue Materials Today Physics.

Référence:
Ultra-High Critical Electric Field of 13.2 MV/cm for Zn-doped p-type β-Ga2O3. E. Chikoidze, T. Tchelidze, C. Sartel, Z. Chi, R. Kabouche, I. Madaci, C. Rubio, H. Mohamed, V. Sallet, F. Medjdoub, A. Perez-Tomas et Y. Dumont, Materials Today Physics, le 1 septembre 2020.
DOI:10.1016/j.mtphys.2020.100263
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