Record de champ électrique critique pour l’oxyde de gallium

Les composants électroniques qui opèrent à très haute puissance nécessitent l’intégration de matériaux semi-conducteurs supportant de très forts champs électriques. 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. 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. En perspective, les semi-conducteurs à « ultra-grand gap » permettront d’aller plus loin. C'est le cas du diamant qui présente un champ électrique critique de 10 MV/cm, et de l’oxyde de gallium β-Ga2O3. Ce dernier, 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). 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. Le dopage contrôlé comme ingénierie des matériaux a été exploité par des chercheurs et des chercheuses du Groupe d'étude de la matière condensée (GEMaC, CNRS/Univ Versailles St-Quentin, Univ Paris Saclay) et de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (IEMN, CNRS/Univ Lille/Univ Polytechnique Hauts-de-France/Centrale Lille) au sein d'une collaboration internationale avec la Tbilisi State University (TSU) et le Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2).

Les chercheurs et les chercheuses ont tout d’abord synthétisé le matériau sous forme d’un film mince de β-Ga₂O₃ sur du silicium par la technique de dépôt chimique en phase vapeur de composés organométalliques (MOCVD), et ont réalisé un dispositif élémentaire permettant la mesure de la tension de claquage (figure). Une valeur du champ critique de 6 MV/cm a été mesurée, conforme aux études précédentes. Guidés par 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), les scientifiques ont très légèrement dopé (0,5%) en zinc les films de Ga₂O₃. Sur le même dispositif, un champ électrique critique record de 13,2 MV/cm est 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 est développée ici par une théorie microscopique, la théorie cinétique d’ionisation par impact, 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. Ces deux facteurs contribuent conjointement à l’augmentation du champ électrique critique. Cette étude confirme clairement les atouts que peut avoir l'oxyde de gallium pour l'électronique de puissance à très haute tension et est publiée dans la revue Materials Today Physics.