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La recherche de nouveaux semi-conducteurs se réchauffe avec de l'oxyde de gallium Technologik

Les ingénieurs électriciens de l'Université de l'Illinois ont franchi un autre obstacle dans la fabrication de semi-conducteurs de haute puissance en ajoutant à leur arsenal le matériau le plus en demande du marché, l'oxyde de bêta-gallium. 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, ont indiqué les chercheurs.

Leurs résultats sont publiés dans la revue ACS Nano.

Les transistors plats sont devenus aussi petits que possible physiquement, mais les chercheurs ont résolu ce problème en prenant une distance verticale. Avec une technique appelée gravure chimique assistée par un métal – ou MacEtch -, les ingénieurs de l’U. Of I. ont utilisé une solution chimique pour graver un semi-conducteur dans des structures 3D à ailettes. Les ailettes augmentent la surface d'une puce, ce qui permet d'avoir plus de transistors ou de courant, et peuvent donc gérer plus de puissance tout en conservant la même empreinte au sol.

Développée à l'Université d'Irlande, la méthode MacEtch est supérieure aux techniques de gravure "à sec" traditionnelles car elle est beaucoup moins dommageable pour les surfaces délicates des semi-conducteurs, telles que l'oxyde de bêta-gallium, ont indiqué les chercheurs.

"L'oxyde de gallium a un fossé énergétique plus grand dans lequel les électrons peuvent se déplacer librement", a déclaré Xiuling Li, auteur principal de l'étude, professeur d'ingénierie électrique et informatique. "Cet écart énergétique doit être important pour les composants électroniques à tensions élevées, voire même à basses tensions et à fréquences de commutation rapides. Nous sommes donc très intéressés par ce type de matériau destiné aux appareils modernes. Cependant, sa structure cristalline est plus complexe 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, a déclaré Li, mais l'avancement n'est pas sans obstacles.

"En ce moment, le processus de gravure est très lent", a-t-elle déclaré. "En raison de la vitesse lente et de la structure cristalline complexe du matériau, les ailettes 3D produites ne sont pas parfaitement verticales et les ailettes verticales sont idéales pour une utilisation efficace de l'énergie."

Dans la nouvelle étude, le substrat en oxyde de bêta-gallium a produit des ailettes triangulaires, trapézoïdales et effilées, 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’elles effectuaient toujours un meilleur travail de conduction du courant que les surfaces plates, non étirées en oxyde de gallium.

"Nous ne savons pas pourquoi c'est le cas, mais nous commençons à obtenir des indices en effectuant des caractérisations au niveau atomique du matériau", a déclaré Li. "En résumé, nous avons montré qu'il était 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."

Selon M. Li, de nouvelles recherches devront porter sur la vitesse de gravure lente, permettre des dispositifs à hautes performances en oxyde de bêta-gallium et tenter de résoudre le problème de la faible conductivité thermique.

"L'augmentation du taux de gravure devrait améliorer la capacité du processus à former davantage d'ailettes verticales", a-t-elle déclaré. "Cela est dû au fait 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 basse conductivité thermique est un problème plus profond, a-t-elle déclaré. "L'électronique à haute puissance produit beaucoup de chaleur et les chercheurs en dispositifs recherchent activement des solutions d'ingénierie thermique. Bien qu'il s'agisse d'un aspect très ouvert dans le domaine des semi-conducteurs, les structures 3D comme celle que nous avons démontrée pourraient aider à mieux guider la sortie de chaleur. dans certains types d'appareils. "

La National Science Foundation et le US Department of Energy ont soutenu cette recherche.

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