[News] Record établi pour un transistor en diamant 💎

[Adrien]

S'il est le semiconducteur théoriquement idéal, le diamant ne s'est pas encore imposé dans les transistors et autres composants.

Des chercheurs et chercheuses ont fabriqué un transistor à effet de champ (JFET) en diamant d'une conduction de courant de 50 mA. D'après ces travaux publiés dans la revue IEEE Electron Device Letters, c'est cinq fois plus que le précédent record pour un transistor dont la conduction se fait dans tout le volume.

La majorité des transistors sont faits en silicium, en carbure de silicium ou en nitrure de gallium. Le diamant présente théoriquement de meilleures propriétés que tous ces matériaux, mais il est difficile à doper pour le rendre conducteur et sa croissance artificielle reste compliquée à contrôler. Des transistors en diamants sont néanmoins élaborés depuis une trentaine d'années et voient leurs performances s'améliorer.

À terme, de tels composants feraient d'excellents composants dans les convertisseurs pour les véhicules électriques et l'aéronautique. Dans la plupart des cas, les transistors en diamant ne conduisent le courant qu'à leur surface, et non dans leur volume, ce qui peut poser des limites en termes de maîtrise de la conductivité, de reproductibilité de fabrication et de fiabilité. Les transistors basés sur une conduction volumique offrent un meilleur passage à l'échelle, au lieu de rester sur de minuscules prototypes, mais leur conductivité reste faible et ne dépasse pas les dix milliampères (mA).

Des chercheurs et chercheuses de l'Institut Néel (CNRS), du Laboratoire plasma et conversion d'énergie (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) et de la startup DIAMFAB (France) ont conçu un transistor en diamant atteignant une conduction volumique de courant record de 50 mA.

Le composant est un transistor à effet de champ (JFET) utilisant une conduction volumique, des modèles qui sont composés de trois broches: la grille, le drain et la source. L'équipe a réussi à obtenir des couches homogènes de diamant, ici dopé au bore, sans y faire apparaître de défauts néfastes. Ils ont ainsi pu augmenter le volume utile du transistor et de sa grille, qui atteint 14,7 mm avec 24 doigts parallèles. Le transistor n'est alors plus un simple démonstrateur miniature, mais est un véritable composant utilisable.

a) Schéma en coupe du transistor, b) vue de dessus au microscope optique.
© Michez et al.

Les scientifiques comptent à présent améliorer la conception et la réalisation de ces transistors, notamment pour développer leur tenue en tension, c'est-à-dire leur capacité à bloquer le courant sur commande. Il s'agira ensuite de tester leurs performances dans des environnements plus proches des applications. Enfin, les chercheurs et chercheuses se pencheront sur une autre architecture de transistor: les transistors à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET).

Références:

Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504

Article consultable sur les bases d'archives ouvertes Arxiv et HAL

Source: CNRS INSIS

### TRADUCTION EN ##########################################################################################
Record set for a diamond transistor
transistor, diamond

While theoretically the ideal semiconductor, diamond has not yet become mainstream in transistors and other components.

Researchers have fabricated a diamond field-effect transistor (JFET) with a current conduction of 50 mA. According to this study published in IEEE Electron Device Letters, this is five times higher than the previous record for a transistor with bulk conduction.

Most transistors are made of silicon, silicon carbide or gallium nitride. Diamond theoretically has better properties than all these materials, but it is difficult to dope to make it conductive and its artificial growth remains challenging to control. Diamond transistors have nevertheless been developed for about thirty years and their performance is improving.

Ultimately, such components would make excellent converters for electric vehicles and aeronautics. In most cases, diamond transistors only conduct current on their surface, not throughout their volume, which can pose limitations in terms of conductivity control, manufacturing reproducibility and reliability. Bulk conduction transistors offer better scalability instead of remaining as tiny prototypes, but their conductivity remains low and does not exceed ten milliamperes (mA).

Researchers from the Néel Institute (CNRS), the Plasma and Energy Conversion Laboratory (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) and the startup DIAMFAB (France) have designed a diamond transistor achieving a record bulk current conduction of 50 mA.

The component is a field-effect transistor (JFET) using bulk conduction, models which consist of three terminals: the gate, drain and source. The team succeeded in obtaining homogeneous layers of diamond, here doped with boron, without introducing harmful defects. They were thus able to increase the useful volume of the transistor and its gate, which reaches 14.7 mm (0.58 inches) with 24 parallel fingers. The transistor is then no longer just a miniature demonstrator, but a fully usable component.

a) Cross-sectional diagram of the transistor, b) top view under optical microscope.
© Michez et al.

The scientists now plan to improve the design and fabrication of these transistors, particularly to develop their voltage withstand capability, i.e. their ability to block current on command. The next step will be to test their performance in environments closer to applications. Finally, the researchers will focus on another transistor architecture: metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs).

References:

Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504

Article available on open archives Arxiv and HAL

Source: CNRS INSIS

### TRADUCTION DE ##########################################################################################
Rekord für einen Diamant-Transistor aufgestellt
Transistor, Diamant

Obwohl er theoretisch der ideale Halbleiter ist, hat sich Diamant noch nicht in Transistoren und anderen Bauteilen durchgesetzt.

Forscherinnen und Forscher haben einen Feldeffekttransistor (JFET) aus Diamant mit einer Stromleitung von 50 mA hergestellt. Laut dieser in der Zeitschrift IEEE Electron Device Letters veröffentlichten Arbeit ist das fünfmal mehr als der bisherige Rekord für einen Transistor, bei dem die Leitung im gesamten Volumen erfolgt.

Die meisten Transistoren bestehen aus Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumnitrid. Diamant weist theoretisch bessere Eigenschaften als all diese Materialien auf, ist jedoch schwer zu dotieren, um ihn leitfähig zu machen, und sein künstliches Wachstum bleibt schwer zu kontrollieren. Dennoch werden seit etwa dreißig Jahren Diamant-Transistoren entwickelt, deren Leistung sich stetig verbessert.

Langfristig könnten solche Bauteile hervorragende Komponenten in Umrichtern für Elektrofahrzeuge und die Luftfahrt sein. In den meisten Fällen leiten Diamant-Transistoren den Strom nur an ihrer Oberfläche und nicht in ihrem Volumen, was Grenzen in Bezug auf die Kontrolle der Leitfähigkeit, die Reproduzierbarkeit der Herstellung und die Zuverlässigkeit setzen kann. Transistoren mit Volumenleitung bieten eine bessere Skalierbarkeit, anstatt auf winzige Prototypen beschränkt zu bleiben, aber ihre Leitfähigkeit bleibt gering und überschreitet nicht zehn Milliampere (mA).

Forscherinnen und Forscher des Institut Néel (CNRS), des Laboratoire plasma et conversion d'énergie (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) und des Startups DIAMFAB (Frankreich) haben einen Diamant-Transistor entwickelt, der eine rekordverdächtige Volumenstromleitung von 50 mA erreicht.

Das Bauteil ist ein Feldeffekttransistor (JFET) mit Volumenleitung, ein Modell, das aus drei Anschlüssen besteht: Gate, Drain und Source. Dem Team gelang es, homogene Diamantschichten, hier mit Bor dotiert, ohne schädliche Defekte herzustellen. Dadurch konnten sie das nutzbare Volumen des Transistors und seines Gates erhöhen, das mit 24 parallelen Fingern 14,7 mm erreicht. Der Transistor ist somit kein einfacher Miniaturdemonstrator mehr, sondern ein wirklich einsetzbares Bauteil.

a) Querschnittsdiagramm des Transistors, b) Draufsicht unter dem optischen Mikroskop.
© Michez et al.

Die Wissenschaftler planen nun, das Design und die Herstellung dieser Transistoren zu verbessern, insbesondere um ihre Spannungsfestigkeit, also ihre Fähigkeit, den Strom auf Befehl zu blockieren, zu entwickeln. Anschließend sollen ihre Leistungen in anwendungsnäheren Umgebungen getestet werden. Schließlich werden sich die Forscherinnen und Forscher einer anderen Transistorarchitektur zuwenden: den Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET).

Referenzen:

Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504

Artikel verfügbar in den Open-Access-Archiven Arxiv und HAL

Quelle: CNRS INSIS

### TRADUCTION ES ##########################################################################################
Récord establecido para un transistor de diamante
transistor, diamante

Aunque es el semiconductor teóricamente ideal, el diamante aún no se ha impuesto en transistores y otros componentes.

Investigadores han fabricado un transistor de efecto de campo (JFET) de diamante con una conducción de corriente de 50 mA. Según este trabajo publicado en la revista IEEE Electron Device Letters, esto es cinco veces más que el récord anterior para un transistor cuya conducción se produce en todo su volumen.

La mayoría de los transistores están hechos de silicio, carburo de silicio o nitruro de galio. El diamante presenta teóricamente mejores propiedades que todos estos materiales, pero es difícil de dopar para hacerlo conductor y su crecimiento artificial sigue siendo complicado de controlar. Sin embargo, se han desarrollado transistores de diamante durante unos treinta años y sus prestaciones siguen mejorando.

A largo plazo, estos componentes serían excelentes para convertidores en vehículos eléctricos y aeronáutica. En la mayoría de los casos, los transistores de diamante solo conducen corriente en su superficie, no en su volumen, lo que puede limitar el control de la conductividad, la reproducibilidad de fabricación y la fiabilidad. Los transistores basados en conducción volumétrica ofrecen mejor escalabilidad, en lugar de quedarse en prototipos diminutos, pero su conductividad sigue siendo baja y no supera los diez miliamperios (mA).

Investigadores del Instituto Néel (CNRS), del Laboratorio plasma y conversión de energía (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) y de la startup DIAMFAB (Francia) han diseñado un transistor de diamante que alcanza una conducción volumétrica récord de 50 mA.

El componente es un transistor de efecto de campo (JFET) que utiliza conducción volumétrica, modelos compuestos por tres terminales: puerta, drenaje y fuente. El equipo logró obtener capas homogéneas de diamante, dopado con boro en este caso, sin defectos perjudiciales. Así pudieron aumentar el volumen útil del transistor y su puerta, que alcanza 14,7 mm con 24 dedos paralelos. El transistor ya no es un simple demostrador en miniatura, sino un componente utilizable.

a) Esquema en corte del transistor, b) vista superior con microscopio óptico.
© Michez et al.

Los científicos planean ahora mejorar el diseño y fabricación de estos transistores, especialmente para desarrollar su resistencia a la tensión, es decir, su capacidad para bloquear la corriente a demanda. Luego probarán sus prestaciones en entornos más cercanos a aplicaciones reales. Finalmente, los investigadores estudiarán otra arquitectura de transistor: los transistores de efecto de campo con puerta metal-óxido (MOSFET).

Referencias:

Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504

Artículo disponible en archivos abiertos Arxiv y HAL

Fuente: CNRS INSIS

### TRADUCTION PT ##########################################################################################
Recorde estabelecido para um transistor de diamante
transistor, diamante

Embora seja o semicondutor teoricamente ideal, o diamante ainda não se estabeleceu em transistores e outros componentes.

Pesquisadores desenvolveram um transistor de efeito de campo (JFET) de diamante com uma condução de corrente de 50 mA. Segundo este trabalho publicado na revista IEEE Electron Device Letters, isso é cinco vezes mais do que o recorde anterior para um transistor cuja condução ocorre em todo o volume.

A maioria dos transistores são feitos de silício, carbeto de silício ou nitreto de gálio. O diamante apresenta teoricamente propriedades melhores do que todos esses materiais, mas é difícil de dopar para torná-lo condutor e seu crescimento artificial ainda é complicado de controlar. No entanto, transistores de diamante vêm sendo desenvolvidos há cerca de trinta anos e suas performances estão melhorando.

A longo prazo, tais componentes seriam excelentes em conversores para veículos elétricos e aeronáutica. Na maioria dos casos, os transistores de diamante conduzem corrente apenas em sua superfície, e não em seu volume, o que pode impor limites em termos de controle da condutividade, reprodutibilidade de fabricação e confiabilidade. Transistores baseados em condução volumétrica oferecem melhor escalabilidade, em vez de permanecerem em protótipos minúsculos, mas sua condutividade ainda é baixa e não ultrapassa dez miliamperes (mA).

Pesquisadores do Instituto Néel (CNRS), do Laboratório de Plasma e Conversão de Energia (LAPLACE, CNRS/Toulouse INP/Univ. Toulouse) e da startup DIAMFAB (França) projetaram um transistor de diamante que atinge uma condução volumétrica de corrente recorde de 50 mA.

O componente é um transistor de efeito de campo (JFET) que utiliza condução volumétrica, modelos compostos por três terminais: o gate, o dreno e a fonte. A equipe conseguiu obter camadas homogêneas de diamante, aqui dopado com boro, sem apresentar defeitos prejudiciais. Assim, puderam aumentar o volume útil do transistor e de seu gate, que atinge 14,7 mm com 24 dedos paralelos. O transistor não é mais apenas um demonstrativo em miniatura, mas um componente real utilizável.

a) Diagrama em corte do transistor, b) vista superior ao microscópio óptico.
© Michez et al.

Os cientistas planejam agora melhorar a concepção e a realização desses transistores, especialmente para desenvolver sua capacidade de bloqueio de tensão, ou seja, sua capacidade de bloquear a corrente sob comando. Em seguida, será necessário testar seu desempenho em ambientes mais próximos das aplicações reais. Por fim, os pesquisadores estudarão outra arquitetura de transistor: os transistores de efeito de campo com gate de metal-óxido (MOSFET).

Referências:

Over 50 mA Current in Interdigitated Diamond Field Effect Transistor.
Damien Michez, Juliette Letellier, Imane Hammas, Julien Pernot, Nicolas C. Rouger.
IEEE Electron Device Letters, vol. 45, no. 11, pp. 2058-2061, Nov. 2024.
https://doi.org/10.1109/LED.2024.3453504

Artigo disponível nas bases de arquivos abertos Arxiv e HAL

Fonte: CNRS INSIS