Le laboratoire Laplace et l'Institut Néel ont réalisé ensemble un transistor Mosfet en diamant dopé au bore qui bénéficie d'une grande stabilité à l'état bloqué et d'une faible résistance à l'état passant. Ces résultats, qui préfigurent une nouvelle génération de composants pour l'électronique de puissance, ont été publiés dans la revue Applied Physics Letters.
Gauche: Image microscope optique de capacités Métal-Oxyde-Diamant et de transistors Mosfet à déplétion profonde en diamant . En haut à droite: Image microscope électronique à balayage de Mosfet en diamant lors de la caractérisation électrique. S: Source, G: Grille, D: Drain. En bas à droite: Concept des transistors Mosfet à déplétion profonde. L'état passant est assuré grâce au régime d'accumulation de trous sous la grille ou au régime de bandes plates ("flat band") et l'état bloqué est assuré grâce au régime stable de déplétion profonde ("deep depletion").
Le diamant monocristallin est un matériau semiconducteur bien adapté à l'électronique de puissance, en raison de ses propriétés électriques et thermiques : tenue en tension, fonctionnement à haute température, réduction des pertes dissipées dans les composants. Mais la réalisation de transistors à base de diamant bute sur des difficultés physiques et technologiques. Des chercheurs du Laboratoire plasma et conversion d'énergie (Laplace, CNRS/université de Toulouse/INP Toulouse) et de l'Institut Néel (CNRS), en collaboration avec les universités de Cambridge (UK) et Tsukuba (Japon) et le laboratoire de Génie électrique de Grenoble (G2Elab, CNRS/université Grenoble Alpes), ont conçu et fabriqué ensemble un transistor Mosfet en diamant dopé au bore qui, en utilisant le régime de déplétion profonde, donne un état bloqué stable, même à haute température, et une faible résistance à l'état passant.
Sous un champ électrique appliqué via un empilement Métal-Oxyde-Semiconducteur, le diamant, contrairement au silicium, accepte une déplétion profonde (la modification de la répartition des porteurs de charge sous l’oxyde), sans qu'il se crée un régime d'inversion qui empêcherait d'obtenir un état bloqué du transistor. Les chercheurs ont réalisé leur transistor Mosfet en déposant une couche d'Al2O3 sur la couche de diamant monocristallin dopé au bore (pour créer les porteurs de charges : des trous chargés +). La mise au point des étapes technologiques de fabrication a permis la maîtrise du dopage et de la croissance du diamant, ainsi que le contrôle de l'interface entre l'oxyde et le diamant, qui joue un rôle clé dans les performances du transistor.
Un brevet européen a été déposé, qui porte sur l’application du concept physique et des architectures de transistors. La start-up DiamFab, issue de l'Institut Néel et en incubation à Grenoble doit fabriquer les couches de diamant dopé permettant la réalisation de transistors Mosfet. Les chercheurs poursuivent les recherches pour améliorer les performances des transistors Mosfet en diamant. Ils s'attachent à optimiser l'architecture du transistor en fonction des contraintes spécifiques de l'application visée : haute tension, haute température, électronique embarquée, etc.
Références publication:
Deep depletion concept for diamond MOSFET,
T. T. Pham, N. Rouger, C. Masante, G. Chicot, F. Udrea, D. Eon, E. Gheeraert, et J. Pernot
Appl. Phys. Lett. 111, 173503 (2017)
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4997975
Comprehensive electrical analysis of metal/Al2O3/O-terminated diamond capacitance,
T. T. Pham, A. Maréchal, P. Muret, D. Eon, E. Gheeraert, N. Rouger and J. Pernot
Journal of Applied Physics 123, 161523 (2018)
DOI: https://doi.org/10.1063/1.4996114
Deep-Depletion Mode Boron-Doped Monocrystalline Diamond Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,
T.-Toan Pham, J. Pernot, G. Perez, D. Eon, E. Gheeraert, N. Rouger
Electron Device Letters Volume: 38 Issue: 11 (2017)
DOI: 10.1109/LED.2017.2755718
Contacts chercheurs:
Nicolas Rouger - Laplace
Julien Pernot - Institut Néel
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