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« Véritable don de la nature » – La découverte d'un nouveau super-réseau unique dévoile un nouveau mécanisme de dopage des semi-conducteurs

SciTechDaily

Le traitement thermique du magnésium métallique sur des semi-conducteurs au nitrure de gallium entraîne la formation d’une structure de super-réseau distinctive. Les atomes de magnésium, d'azote et de gallium sont représentés respectivement en orange, bleu et gris. Crédit : Jia Wang

De nouvelles recherches ont découvert une nouvelle structure de super-réseau dans le nitrure de gallium (GaN) utilisant du magnésium (Mg), ce qui promet des progrès dans les performances des semi-conducteurs.

Une nouvelle étude a révélé une nouvelle structure de super-réseau dans le nitrure de gallium (GaN) en le combinant avec du magnésium (Mg), améliorant potentiellement les dispositifs semi-conducteurs à base de GaN et faisant progresser le domaine de l'ingénierie des contraintes élastiques.

Une étude menée par l’Université de Nagoya au Japon a révélé qu’une simple réaction thermique du nitrure de gallium (GaN) avec du magnésium métallique (Mg) entraîne la formation d’une structure de super-réseau distinctive. C’est la première fois que des chercheurs identifient l’insertion de couches métalliques 2D dans un semi-conducteur massif.

En observant attentivement les matériaux grâce à diverses techniques de caractérisation de pointe, les chercheurs ont découvert de nouvelles informations sur le processus de dopage des semi-conducteurs et d'ingénierie des contraintes élastiques. Ils ont publié leurs conclusions dans la revue Nature.

Le GaN est un important matériau semi-conducteur à large bande interdite, sur le point de remplacer le silicium traditionnel. semi-conducteurs dans les applications exigeant une densité de puissance plus élevée et des fréquences de fonctionnement plus rapides. Ces caractéristiques distinctives du GaN le rendent précieux dans des dispositifs tels que les LED, les diodes laser et l'électronique de puissance, y compris les composants critiques des véhicules électriques et des chargeurs rapides. Les performances améliorées des dispositifs basés sur GaN contribuent à la réalisation d’une société économe en énergie et d’un avenir neutre en carbone.

Comprendre la conductivité électrique dans les semi-conducteurs

Dans les semi-conducteurs, il existe deux types de conductivité électrique essentiels et complémentaires : le type p et le type n. Le semi-conducteur de type P comporte principalement des porteurs libres portant des charges positives, appelées trous, tandis que le semi-conducteur de type N conduit l'électricité à travers des électrons libres.

Un semi-conducteur acquiert une conductivité de type P ou N grâce à un processus appelé dopage, qui fait référence à l'introduction intentionnelle d'impuretés spécifiques (appelées dopants) dans un matériau semi-conducteur pur pour modifier considérablement ses propriétés électriques et optiques.

Dans le domaine des semi-conducteurs GaN, le Mg est jusqu’à présent le seul élément connu pour créer une conductivité de type p. Malgré 35 ans depuis le premier succès du dopage du Mg dans le GaN, les mécanismes complets du dopage du Mg dans le GaN, en particulier la limite de solubilité et le comportement de ségrégation du Mg, restent flous. Cette incertitude limite leur optimisation pour l'optoélectronique et l'électronique.

Expérimentation et observations

Pour améliorer la conductivité du GaN de type p, Jia Wang, le premier auteur de l'étude, et ses collègues ont mené une expérience dans laquelle ils ont modelé des films minces de Mg métallique déposés sur des tranches de GaN et les ont chauffés à haute température, un processus conventionnel. connu sous le nom de recuit.

Grâce à l’imagerie de pointe au microscope électronique, les scientifiques ont observé la formation spontanée d’un super-réseau comportant des couches alternées de GaN et de Mg. Ceci est particulièrement inhabituel puisque GaN et Mg sont deux types de matériaux présentant des différences significatives dans leurs propriétés physiques.

« Bien que le GaN soit un semi-conducteur à large bande interdite avec des liaisons ioniques et covalentes mixtes et que le Mg soit un métal doté d'une liaison métallique, ces deux matériaux différents ont la même structure cristalline, et c'est une coïncidence étonnamment naturelle que la différence de réseau entre le GaN hexagonal et le GaN hexagonal. Le magnésium hexagonal est négligeable », a déclaré Wang. « Nous pensons que la correspondance parfaite du réseau entre GaN et Mg réduit considérablement l'énergie nécessaire pour créer la structure, jouant ainsi un rôle essentiel dans la formation spontanée d'un tel super-réseau. »

Les chercheurs ont déterminé que ce comportement d'intercalation unique, qu'ils ont appelé intercalation interstitielle, entraîne une contrainte de compression sur le matériau hôte. Plus précisément, ils ont découvert que le GaN inséré dans des couches de Mg subit une contrainte élevée de plus de 20 GPa, équivalente à 200 000 fois la pression atmosphérique, ce qui en fait la contrainte de compression la plus élevée jamais enregistrée dans un matériau à couche mince. C'est bien plus que les contraintes de compression couramment rencontrées dans les films de silicium (de l'ordre de 0,1 à 2 GPa). Les films minces électroniques peuvent subir des modifications significatives de leurs propriétés électroniques et magnétiques en raison de cette contrainte. Les chercheurs ont découvert que la conductivité électrique du GaN via le transport par trous était considérablement améliorée dans la direction contrainte.

« En utilisant une approche aussi simple et peu coûteuse, nous avons pu améliorer le transport des trous dans le GaN, qui conduit plus de courant », a déclaré Wang. « Cette découverte intéressante sur les interactions entre un semi-conducteur et un métal pourrait fournir de nouvelles informations sur le dopage des semi-conducteurs et améliorer les performances des dispositifs à base de GaN. »

Université de Nagoya et GaN

Le fait que cette étude ait eu lieu à Université de Nagoya Cela convient, compte tenu de sa réputation de « berceau de la technologie GaN ». Hiroshi Amano, l'auteur correspondant de la présente étude, et Isamu Akasaki de l'Université de Nagoya ont développé les premières LED à lumière bleue à la fin des années 1980, en utilisant du GaN dopé au magnésium. Leurs contributions, pour lesquelles ils ont reçu le prix Nobel de physique en 2014, ont joué un rôle important dans la création d'une société plus économe en énergie.

« La découverte de structures de super-réseaux GaN intercalés avec du Mg et l'identification du nouveau mécanisme de dopage 2D-Mg offrent une opportunité durement gagnée d'honorer les réalisations pionnières dans le domaine de la recherche sur les semi-conducteurs au nitrure III », a déclaré Wang. Ayant fait progresser la technologie 10 ans après l’attribution du prix Nobel, Wang a qualifié cette découverte opportune de « véritable don de la nature » qui pourrait potentiellement ouvrir de nouvelles voies et inspirer davantage de recherches fondamentales dans ce domaine.

L'Agence japonaise pour la science et la technologie a soutenu la recherche par le biais du programme ASPIRE et des subventions du programme AdCORP. Ce projet a également reçu le soutien du ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie du Japon, du ministère de l'Économie, du Commerce et de l'Industrie et de la Société japonaise pour la promotion de la science.

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