Les propriétés uniques du carbone, lorsqu’il est sous forme de diamant, suscitent depuis longtemps l’intérêt des chercheurs en semi-conducteurs. Bien que l’annonce des diamants comme la prochaine grande nouveauté dans les semi-conducteurs ait connu de nombreux faux départs (et non-démarrages), de nouvelles recherches japonaises offrent de nouvelles promesses.
L’avancée critique démontrée par des chercheurs de l’Institut national japonais de la science des matériaux (NIMS) est la conception d’un transistor à effet de champ (FET) en diamant avec une mobilité élevée des trous d’électrons. Une plus grande mobilité des trous est souhaitable car elle réduit les pertes de conduction et permet des vitesses de fonctionnement plus élevées. Cependant, les chercheurs précédents ont décimé cette qualité inhérente du diamant dans leurs efforts pour induire la conductivité électrique, qui est essentielle pour la fonctionnalité électronique.
Mobilité des trous
Pour référence, la «mobilité des trous d’électrons» est souvent abrégée en «mobilité des trous». Les électrons se déplacent dans des réseaux cristallins semi-conducteurs, attirés par un champ électromagnétique, tout comme les trous – les positions où l’électron peut résider. Lorsqu’un électron est excité dans un état supérieur, il laisse un trou dans son ancien état.
Les chercheurs du NIMS, dirigés par le chercheur principal Takahide Yamaguchi, ont démontré des résultats prometteurs avec leur nouveau FET en diamant, mais comment ont-ils réussi ? Dans le schéma ci-dessous/à gauche, vous pouvez voir la structure et les matériaux utilisés pour fabriquer le transistor révolutionnaire. Ci-dessous/à droite, vous pouvez voir une micrographie du FET en diamant fabriqué par NIMS.
Le NIMS a utilisé du nitrure de bore hexagonal monocristallin (h-BN) au lieu d’un matériau d’oxyde typique pour l’isolant de grille. Il y a une électrode de grille en graphite et le diamant est le substrat. De plus, les chercheurs ont fabriqué le nouveau FET dans du gaz argon, puis l’ont laminé dans du h-BN, de sorte qu’il n’a eu aucun contact avec l’air.
Selon Yamaguchi, les tentatives précédentes de fabrication de transistors en diamant étaient confrontées au problème de « très faible mobilité de seulement 1 à 10 % de la mobilité des trous d’origine du diamant ». Au cours des années passées, la recherche FET a utilisé des diamants avec leurs atomes de carbone superficiels liés de manière covalente avec des atomes d’hydrogène. Cette technique de dopage à l’hydrogène était auparavant considérée comme nécessaire pour la conductivité électrique, mais elle faisait en fait obstacle aux propriétés naturelles des semi-conducteurs à large bande interdite du diamant. Malheureusement, cela a introduit la diffusion des porteurs, décimant la mobilité naturelle des trous du matériau.
Cependant, la nouvelle conception de FET en diamant offre une « mobilité des trous cinq fois supérieure à celle des FET conventionnels utilisant des isolants à grille d’oxyde, et plus de vingt fois supérieure à celle des FET à canal p GaN et SiC », selon Yamaguchi. Une mobilité de trou plus élevée signifie également une perte de conduction plus faible, donc « une augmentation de vingt fois de la mobilité du canal signifie une perte de réduction d’un vingtième dans le canal », a-t-il expliqué.
Applications potentielles des premiers cas d’utilisation
Les chercheurs pensent que ces nouveaux composants seraient hautement souhaitables dans les applications électroniques où la conversion de puissance à faible perte et les communications à haut débit sont essentielles. Une autre qualité intéressante, et potentiellement très utile, des FETS en diamant est qu’ils ont une caractéristique normalement désactivée – ce qui est très attrayant dans les applications d’électronique de puissance à sécurité intégrée, par exemple.
Il reste encore beaucoup de travail à faire pour affiner les FET en diamant et en faire une alternative pratique et utile ; cependant, le NIMS a fait une avancée significative. Même avec l’obstacle évident du coût qui freine l’adoption et le problème de la taille maximale des tranches de diamant bloquant la voie, certains premiers utilisateurs pourraient encore être attirés par les FET en diamant.