L’oxyde de gallium : le futur des dispositifs électroniques spatiaux ?

Alors que les sondes spatiales sont exposées à de nombreux dangers tels que les radiations et les variations extrêmes de température qui mettent à rude épreuve leurs circuits électroniques, des chercheurs du KAUST ont inventé la première mémoire flash à base d’oxyde de gallium, un matériau capable de résister bien mieux que les composants électroniques conventionnels à ces conditions hostiles.

L’oxyde de gallium est un semi-conducteur qui, bien que mauvais conducteur à l’état naturel, peut conduire un courant électrique lorsqu’on lui incorpore certaines impuretés. Il présente de nombreux avantages par rapport au silicium, le semi-conducteur utilisé dans la plupart des puces informatiques. Par exemple, l’oxyde de gallium peut supporter des courants et des tensions élevés avec de faibles pertes d’énergie, et il est facile à faire croître sous forme de films de haute qualité à l’aide de techniques peu coûteuses.

Mais par-dessus tout, c’est un matériau robuste. Les dispositifs à base d’oxyde de gallium sont devenus un choix de premier plan pour fonctionner dans des environnements hostiles, en particulier dans l’exploration spatiale, car ils peuvent résister à des températures élevées et aux radiations sans dégradation majeure », explique Vishal Khandelwal, doctorant et membre de l’équipe à l’origine de ces travaux.

Une mémoire flash révolutionnaire pour l’électronique spatiale

Des transistors et des diodes peuvent déjà être fabriqués à partir d’oxyde de gallium. Mais pour que l’électronique à base d’oxyde de gallium puisse se développer, les chercheurs avaient besoin de prouver que ce matériau pouvait également être utilisé dans des dispositifs de mémoire.

Le dispositif inventé par l’équipe est une sorte de transistor contenant une couche appelée grille flottante, qui capture des électrons pour stocker des données. Ce design de base est déjà utilisé dans les dispositifs de mémoire flash conventionnels. Mais au lieu d’utiliser du silicium, le nouveau dispositif contient une couche d’oxyde de gallium de seulement 50 nanomètres d’épaisseur. Au-dessus de l’oxyde de gallium se trouve un minuscule fragment de nitrure de titane, enfermé dans une très fine couche de matériau isolant, qui sert de grille flottante.

Pour programmer des données dans la grille flottante, les chercheurs appliquent une impulsion de tension positive qui envoie des électrons de l’oxyde de gallium à travers l’isolant jusque dans la grille flottante, où ils sont piégés. Une tension négative peut effacer les données en renvoyant les électrons dans l’oxyde de gallium. L’emplacement de ces électrons affecte la capacité de l’oxyde de gallium à conduire l’électricité, ce qui peut être utilisé pour lire l’état du dispositif de mémoire.

Des propriétés prometteuses pour des applications spatiales

L’oxyde de gallium a une bande interdite inhabituellement large, une mesure de l’énergie nécessaire pour libérer ses électrons, ce qui signifie qu’il existe une grande différence entre les états programmé et effacé du dispositif, même à température élevée. Cette propriété contribue à rendre la mémoire très stable, et le prototype pouvait conserver ses données pendant plus de 80 minutes.

Pour l’instant, la programmation et l’effacement du dispositif nécessitent des impulsions de tension relativement longues d’environ 100 millisecondes, que l’équipe espère raccourcir. « Des développements supplémentaires dans la qualité du matériau à base d’oxyde de gallium et la conception des dispositifs donneront de meilleures propriétés de mémoire pour des applications pratiques en environnement extrême », déclare Xiaohang Li, qui dirige l’équipe.

En synthèse

La première mémoire flash à base d’oxyde de gallium ouvre la voie à une électronique spatiale plus résistante. Ses propriétés prometteuses en font un candidat idéal pour les sondes spatiales exposées à des conditions extrêmes.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’oxyde de gallium et quelles sont ses propriétés ?

L’oxyde de gallium est un semi-conducteur robuste qui peut résister à des températures très élevées et aux radiations spatiales. Il est facile à fabriquer et permet de construire des composants électroniques performants.

En quoi cette découverte est-elle importante ?

C’est la première mémoire flash basée sur l’oxyde de gallium, ouvrant la voie à une électronique spatiale plus résistante pour explorer des environnements extrêmes.

Quels sont les défis restants ?

Il faut encore améliorer les performances et la rapidité de programmation de cette mémoire avant de pouvoir l’utiliser dans des applications concrètes.

Quelles sont les prochaines étapes ?

Peaufiner le matériau et le design de la mémoire pour obtenir de meilleures caractéristiques. Tester ses performances dans des conditions réelles d’utilisation spatiale.

Khandelwal, V., Rajbhar, M.K., García, G.I.M., Tang, X., Sarkar, B. & Li, X. Demonstration of β-Ga₂O₃ nonvolatile flash memory for oxide electronics. Japanese Journal of Applied Physics 62, 060902 (2023).| article

Légende image principale : Les dispositifs à base d’oxyde de gallium peuvent fonctionner dans des environnements extrêmes, tels que l’espace extra-atmosphérique, où ils peuvent résister aux températures élevées et aux radiations sans subir de dégradation grave. 2023 KAUST ; Eliza Mkhitaryan.