Dans le cadre des enjeux majeurs de l’informatique actuelle, l’optimisation des transistors occupe une place centrale. Si ces composants électroniques, qui ne sont guère plus que des commutateurs de haute technologie, ont largement bénéficié de l’évolution de la technologie des semi-conducteurs, il demeure un défi essentiel : améliorer leur rapidité sans compromettre leur efficacité.
Un nouveau chapitre de cette aventure technologique s’ouvre aujourd’hui avec l’utilisation potentielle de matériaux innovants connus sous le nom de MXenes.
Les ordinateurs, malgré toute leur complexité apparente, ne sont en fait qu’un grand nombre de commutateurs électroniques, s’activant et se désactivant dans le bon ordre pour traiter l’information numérique. La technologie des semi-conducteurs a permis de rendre ces commutateurs très petits et incroyablement rapides.
Le potentiel du nitrure de gallium
Le matériau semi-conducteur nitrure de gallium se révèle particulièrement prometteur pour accélérer encore ces processus. En effet, les porteurs de charge dans le nitrure de gallium, tels que les électrons, peuvent se déplacer à travers le matériau à grande vitesse. Cela rend le nitrure de gallium utile dans les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs), destinés aux applications à haute fréquence et haute puissance, y compris les chargeurs de téléphones portables, les stations de base 5G, le radar et les communications par satellite.
Les limites actuelles des HEMTs
Un aspect crucial pour optimiser le fonctionnement d’un HEMT est la réalisation de la connexion électrique qui active ou désactive le transistor. Ces connexions, appelées portes Schottky, peuvent souffrir de courants de fuite élevés qui circulent même lorsque le transistor est à l’état d’arrêt. Cela entraîne une consommation d’énergie élevée et limite la tension qui peut être appliquée avant que le dispositif ne tombe en panne.
Les MXenes : une solution prometteuse
Chuanju Wang de l’équipe de Xiaohang Li et Xiangming Xu de l’équipe de Husam Alshareef, en collaboration avec leurs collègues d’Inde et de Chine, ont montré que ces limitations peuvent être minimisées en fabriquant la porte Schottky à partir d’une classe de matériaux connus sous le nom de MXenes. Ceux-ci sont des couches atomiques bidimensionnelles de carbures, nitrures ou carbonitrures de métaux de transition.
Alors que les métaux conventionnels sont le choix traditionnel pour les contacts électriques avec le GaN, les interactions chimiques entre les deux matériaux créent des défauts qui peuvent piéger la charge électrique et limiter significativement la contrôlabilité de la porte. “Les matériaux de contact de porte en métal traditionnels ont été déposés en utilisant des méthodes telles que l’évaporation par faisceau d’électrons et la pulvérisation, qui ont une liaison chimique directe avec le substrat semi-conducteur“, explique Chuanju Wang.
“Nous avons montré que notre MXene bidimensionnel crée un contact dit de van der Waals avec le substrat semi-conducteur, ce qui peut réduire significativement les pièges d’interface et les charges fixes“, ajoute-t-il.
Des performances améliorées
L’équipe de KAUST a créé un HEMT GaN avec un contact de porte constitué de films ultra-propres du MXene Ti3C2Tx. Leur dispositif a montré un courant à l’état d’arrêt de seulement 10−7 milliampères par millimètre, ce qui est environ 1013 fois plus petit que le courant lorsque le HEMT est “on“.
Ce ratio on-off est une amélioration de six ordres de grandeur par rapport aux dispositifs avec le contact plus conventionnel en nickel-or.
“La prochaine étape consiste à utiliser les MXenes comme matériau de contact de porte Schottky dans d’autres types de transistors, tels que Ga2O3, In2O3, NiO et AlN“, précise Chuanju Wang.
En synthèse
Les MXenes semblent offrir une solution prometteuse pour surmonter les défis actuels des transistors haute vitesse, en particulier les transistors à haute mobilité d’électrons (HEMTs) utilisant le nitrure de gallium. Ils permettent de réduire significativement les courants de fuite et d’améliorer le ratio on-off, augmentant ainsi la performance des dispositifs tout en réduisant leur consommation d’énergie.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce qu’un MXene ?
Les MXenes sont des couches atomiques bidimensionnelles de carbures, nitrures ou carbonitrures de métaux de transition. Elles présentent des propriétés électriques intéressantes pour la réalisation de contacts dans les transistors.
Pourquoi les MXenes sont-ils intéressants pour les transistors ?
Les MXenes permettent de créer un contact dit de van der Waals avec le substrat semi-conducteur, ce qui peut réduire significativement les pièges d’interface et les charges fixes. Cela améliore le ratio on-off des transistors et réduit leur consommation d’énergie.
Comment les MXenes améliorent-ils les performances des transistors ?
Les MXenes permettent de réduire significativement les courants de fuite (courant qui s’écoule même lorsque le transistor est en mode “off”), améliorant ainsi l’efficacité énergétique des transistors. Ils permettent également d’augmenter le ratio on-off des transistors, soit la différence entre le courant lorsqu’un transistor est allumé et lorsqu’il est éteint, ce qui est un indicateur clé de performance pour ces dispositifs.
Quels sont les applications potentielles des transistors améliorés par les MXenes ?
Les transistors améliorés par les MXenes pourraient trouver de nombreuses applications dans les domaines nécessitant des dispositifs à haute fréquence et à haute puissance, tels que les chargeurs de téléphones mobiles, les stations de base 5G, les communications par radar et par satellite, entre autres.
Qu’est-ce que le contact de type van der Waals ?
Un contact de type van der Waals est une liaison plus faible que les liaisons chimiques conventionnelles, caractérisée par des forces d’attraction entre les molécules ou entre les parties de molécules. Dans le contexte des transistors, ce type de contact permet de réduire les interactions chimiques qui créent des défauts dans le matériau semiconducteur.
Quels sont les prochains pas pour la recherche sur les MXenes ?
La prochaine étape consiste à utiliser les MXenes comme matériau de contact Schottky dans d’autres types de transistors, tels que Ga2O3, In2O3, NiO et AlN.
Légende illustration principale : Les chercheurs du KAUST ont mis au point un MXène bidimensionnel pour la technologie des semi-conducteurs qui pourrait contribuer à améliorer une série d’applications à haute puissance, notamment les radars et les communications par satellite. 2023 KAUST ; Olga Kasimova.
RÉFÉRENCE : Wang, C., Xu, X., Tyagi, S., Rout, P.C., Schwingenschlӧgl, U., Sarkar, B., Khandelwal, V., Liu, X., Gao, L., Hedhili, M.N., Alshareef. H.N. & Li, X. Ti3C2Tx MXene van der Waals gate contact for GaN high electron mobility transistors. Advanced Materials 25, 2211738.| article
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