• Ingénierie: l'ajustement du dopage de l'oxyde de gallium avec du zinc a permis de battre un record pour le champ électrique critique avec une valeur de 13,2 MV/cm!____¤202011

     

    Une étude, dont les résultats intitulés «Ultra-high critical electric field of 13.2 MV/cm for Zn-doped p-type β-Ga2O3» ont été publiés dans la revue Materials Today Physics et sont disponibles en pdf, a permis, en ajustant le dopage avec du zinc de l'oxyde de gallium, de battre un record pour le champ électrique critique avec une valeur de 13,2 MV/cm, dans un contexte où augmenter la tension et éviter le claquage des matériaux utilisés dans l'électronique de puissance restent un défi d'actualité.

     

    Relevons tout d'abord, que «les composants électroniques qui opèrent à très haute puissance nécessitent l’intégration de matériaux semi-conducteurs supportant de très forts champs électriques». Concrètement, «la limite d’utilisation d’un matériau dans ces composants au-dessus de laquelle il y a claquage électrique est déterminée par le champ électrique critique».

     

    Actuellement, «les matériaux les plus aptes à résister aux hautes tensions sont les matériaux semi-conducteurs dits à grand gap (supérieur à 3 eV), comme SiC et GaN» avec «en perspective, les semi-conducteurs à 'ultra-grand gap'», qui «permettront d’aller plus loin»: en particulier, «c'est le cas du diamant qui présente un champ électrique critique de 10 MV/cm, et de l’oxyde de gallium β-Ga2O3», qui, «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)».

     

    Néanmoins, «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». C'est la raison pour laquelle «le dopage contrôlé comme ingénierie des matériaux a été exploité» par l'étude ici présentée.

     

    Ainsi, en premier lieu, «le matériau sous forme d’un film mince de β-Ga2O3 sur du silicium» a été «synthétisé par la technique de dépôt chimique en phase vapeur de composés organométalliques (MOCVD)» et «un dispositif élémentaire permettant la mesure de la tension de claquage» a été réalisé de sorte qu'une «valeur du champ critique de 6 MV/cm a été mesurée, conforme aux études précédentes».

     

    En second lieu, les films de Ga2O3 ont été «très légèrement dopé (0,5%) en zinc» à la suite d'une «analyse théorique thermodynamique 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)». Au bout du compte, «sur le même dispositif, un champ électrique critique record de 13,2 MV/cm» a été 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 développée par l'étude est la théorie cinétique d’ionisation par impact, une théorie microscopique, «qui, appliquée au caractère amphotère de Zn, démontre la réduction du libre-parcours moyen des porteurs de charge libres, en même temps que la diminution de leur concentration», deux facteurs qui «contribuent conjointement à l’augmentation du champ électrique critique». Cette étude confirme ainsi «clairement les atouts que peut avoir l'oxyde de gallium pour l'électronique de puissance à très haute tension».

     

     

     


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