Une nouvelle interface pour une électronique efficace

Yi Lu | Patsy A. Miranda Cortez ( KAUST Cemse )

En combinant différentes formes du même matériau semi-conducteur, les chercheurs de la KAUST ont créé un dispositif auto-alimenté qui détecte la lumière ultraviolette. L’élément clé du dispositif est connu sous le nom d’hétérojonction de phase (PHJ), un arrangement qui pourrait ouvrir la voie à une multitude de nouvelles applications électroniques.

Les atomes d’un semi-conducteur cristallin peuvent être disposés selon différents schémas connus sous le nom de phases polymorphes. Chaque phase présente des propriétés distinctes, telles que la longueur d’onde de la lumière qu’elle absorbe. Le nouveau dispositif utilise deux phases d’oxyde de gallium (Ga2O3), un matériau stable et relativement peu coûteux qui absorbe la lumière dans la partie ultraviolette du spectre.

Les dispositifs électroniques contiennent souvent des couches adjacentes de deux matériaux semi-conducteurs. Mais marier deux phases du même semi-conducteur pour créer une PHJ offre plusieurs avantages par rapport à l’approche traditionnelle, commente Yi Lu, membre de l’équipe.

Par exemple, les PHJ peuvent éviter d’absorber des longueurs d’onde indésirables de la lumière et ont tendance à créer un champ électrique important à l’interface entre les phases, ce qui pourrait améliorer considérablement les performances des dispositifs, y compris les cellules solaires, les transistors et les photodétecteurs. « La croissance et l’intégration de phases polymorphes d’un même matériau sont également plus simples et plus économiques que la combinaison de matériaux différents, mais il est difficile de maintenir une interface de haute qualité », explique M. Lu.

Les chercheurs ont utilisé une méthode appelée épitaxie pour préparer leur PHJ. Cette méthode consiste à tirer un laser sur une cible pour générer un flux d’atomes qui s’assemblent ensuite sur un substrat.

Ils ont d’abord fait croître la phase orthorhombique de l’oxyde de gallium (κ-Ga2O3) sur un substrat de saphir. Ils ont utilisé des conditions de vide poussé et ont inclus de l’étain dans la cible, ce qui a permis de générer la phase souhaitée. Ils ont ensuite formé une couche de phase monoclinique (β-Ga2O3), en utilisant des conditions riches en oxygène pour garantir la structure cristalline correcte.

« La principale contribution de ce travail est la première démonstration d’une hétérojonction de phase avec une interface claire, atomiquement nette et bien définie », indique Xiaohang Li, qui a dirigé l’équipe.

Lorsque la lumière ultraviolette frappe cette PHJ, elle excite les électrons dans une bande d’énergie supérieure, laissant des « trous » à charge positive dans une bande d’énergie inférieure. Il est important de noter que chacune de ces bandes d’énergie diffère légèrement entre les deux phases, ce qui crée un champ électrique à l’interface entre les couches. Cela permet de séparer rapidement et efficacement les électrons et les trous, et de générer un courant sans avoir à appliquer une tension externe, ce qui signifie que le dispositif est auto-alimenté.

« Des chercheurs ont déjà essayé de démontrer cette PHJ », ajoute Patsy A. Miranda Cortez, doctorante et membre de l’équipe, « mais ils se sont contentés de former des phases mixtes distribuées de manière aléatoire, ce qui pourrait ne pas convenir à la production de masse de dispositifs semi-conducteurs ».

Le PHJ a créé un courant environ 1 000 fois supérieur à celui de dispositifs similaires ne contenant qu’une seule phase d’oxyde de gallium, et ce beaucoup plus rapidement. Par conséquent, il a pu produire un signal de détection beaucoup plus fort en réponse à une très faible lumière ultraviolette profonde.

L’équipe prévoit maintenant de combiner d’autres phases de l’oxyde de gallium et d’appliquer ses PHJ à des domaines tels que l’imagerie avancée, la photonique à haut rendement énergétique et l’électronique de puissance.

Légende illustration : Les chercheurs de KAUST ont mis au point un détecteur ultraviolet auto-alimenté en combinant deux phases d’oxyde de gallium dans une « hétérojonction de phase », améliorant ainsi la sensibilité et l’efficacité. 2025 KAUST.

Lu, Y., Miranda Cortez, P. A., Tang, X., Liu, Z., Khandelwal, V., Krishna, S. and Li, X. 𝜿/𝜷-Ga₂O₃ type-II phase heterojunction. Advanced Materials, 37, 2406902 (2025).| article