Syl Kacapyr
Des chercheurs de Cornell ont découvert un coupable presque invisible qui entrave le développement de l’électronique haute puissance de la prochaine génération : une couche microscopique de contamination par le carbone, souvent laissée par l’exposition à l’air et les techniques de fabrication, qui entrave le flux électrique dans les dispositifs fabriqués avec de l’oxyde de gallium. Ils ont également trouvé une solution.
Une étude publiée le 20 juin dans la revue Applied Physics Letters est l’une des premières à visualiser directement cette barrière nanométrique qui peut se former lorsque des métaux sont déposés sur des semi-conducteurs, une interface essentielle pour faire entrer et sortir le courant des appareils électroniques. Lorsque ces contacts présentent une résistance, les performances des appareils en pâtissent.
Le défi est particulièrement prononcé dans le cas de l’oxyde de gallium bêta, un matériau semi-conducteur à bande interdite ultra-large qui pourrait un jour permettre à des appareils tels que les véhicules électriques et les infrastructures de réseau de gérer plus efficacement des tensions plus élevées.
« C’est un problème qui se pose depuis un certain temps dans le domaine de l’oxyde de gallium », indique Naomi Pieczulewski, doctorante en science et ingénierie des matériaux et co-auteure principale de l’étude. « Parfois, la conduction est bonne, et parfois elle est inexistante, et personne ne pouvait vraiment expliquer pourquoi. »
Les recherches de Mme Pieczulewski s’étendent à plusieurs laboratoires de Cornell particulièrement bien placés pour étudier le problème, notamment un laboratoire spécialisé dans la production de matériaux oxydés et un autre spécialisé dans la microscopie à résolution atomique. En se concentrant sur l’interface entre un oxyde de gallium bêta et un contact en titane, Mme Pieczulewski et ses collègues ont utilisé la microscopie électronique à transmission à balayage et d’autres techniques pour comparer deux méthodes courantes de fabrication du contact : un processus traditionnel de décollage et un processus « metal-first » dans lequel le métal est déposé avant que le semi-conducteur ne soit structuré.
Dans les échantillons lift-off, les chercheurs ont observé une fine couche de carbone irrégulière entre le métal et le semi-conducteur, résiduelle des matériaux photorésistants utilisés pendant le traitement. Pour remédier à cette contamination, une exposition d’une heure aux UV et à l’ozone a permis d’éliminer efficacement la couche de carbone, obtenant ainsi une résistance de contact aussi faible que 0,05 ohm-millimètre, l’une des plus faibles jamais enregistrées pour des contacts en oxyde de gallium bêta non allié.
La contamination par le carbone résultant de l’exposition à l’air dans la méthode de fabrication « metal-first » a été corrigée par un traitement à l’oxygène actif de cinq minutes, ce qui a considérablement réduit la résistance de contact et amélioré le flux de courant.
« Cette recherche permet de produire des dispositifs à bande interdite ultra-large fiables et cohérents », a ajouté M. Pieczulewski. « Il s’agit d’un progrès graduel dans la fabrication de contacts ohmiques, mais je pense qu’il est significatif en termes de commercialisation. »
L’autre co-auteur principal de l’étude est Kathleen Smith, Ph.D. ’24. Les auteurs correspondants sont Huili Grace Xing, professeur William L. Quackenbush d’ingénierie électrique et informatique et de science et ingénierie des matériaux, et David Muller, professeur Samuel B. Eckert d’ingénierie à la School of Applied and Engineering Physics.
Cette étude est la première à réunir dans un seul article de recherche les sept co-chercheurs principaux de l’AFRL-Cornell Center for Epitaxial Solutions, également connu sous le nom d’ACCESS, qui, outre Xing et Muller, comprend Debdeep Jena, professeur David E. Burr d’ingénierie ; Michael Thompson, professeur Dwight C. Baum en ingénierie ; Darrell Schlom, professeur à l’université Tisch ; Farhan Rana, professeur Joseph P. Ripley en ingénierie ; et Hari Nair, professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux.
L’université d’État de Boise et Micron, par l’intermédiaire de la Semiconductor Research Corporation (SRC), ont apporté à l’étude des techniques de caractérisation avancées.
La recherche a été soutenue en partie par le centre d’excellence ACCESS, financé par le laboratoire de recherche de l’armée de l’air, et le centre SUPREME, financé par la SRC et la DARPA. La fabrication des dispositifs a été réalisée en partie au Cornell NanoScale Science and Technology Facility et au Cornell Center for Materials Research, tous deux financés par la National Science Foundation.
Syl Kacapyr est directeur adjoint du marketing et de la communication pour Cornell Engineering.
Article : « Achieving 0.05 Ω-mm contact resistance in non-alloyed Ti/Au ohmics to β-Ga2O3 by removing surface carbon » – DOI : 10.1063/5.0276786
