Des chercheurs signalent une avancée majeure dans les matériaux semi-conducteurs
La mobilité élevée des porteurs dans l'arséniure de bore cubique est prometteuse pour l'électronique de nouvelle génération.
Des chercheurs ont découvert pour la première fois de manière expérimentale qu'un cristal d'arséniure de bore cubique présente une mobilité élevée des porteurs d'électrons et de trous - les deux manières dont une charge est transportée dans un matériau semi-conducteur - ce qui laisse entrevoir une avancée majeure pour l'électronique de prochaine génération.
Monocristaux d'arséniure de bore
University of Houston
Alors que des prédictions antérieures avaient émis l'hypothèse que le cristal pouvait présenter simultanément une grande mobilité des électrons et des trous, les chercheurs ont pu valider expérimentalement la grande mobilité des porteurs à température ambiante, élargissant ainsi son utilisation potentielle dans des applications commerciales. Des chercheurs de tous les États-Unis, dont l'université de Houston, le Massachusetts Institute of Technology, l'université du Texas à Austin et le Boston College, ont participé à ces travaux.
Un document d'accompagnement décrit l'utilisation de la microscopie à réflectivité transitoire pour mesurer le cristal, démontrant la grande mobilité et, dans certains cas, lorsqu'un faisceau laser à haute énergie a été utilisé, dépassant les prédictions précédentes. Ces travaux ont été réalisés par des chercheurs de l'Université de Houston et du Centre national de nanoscience et de technologie de Pékin, ainsi que par plusieurs autres institutions chinoises.
Zhifeng Ren, directeur du Texas Center for Superconductivity à l'UH et auteur correspondant des deux articles, a déclaré que ces travaux ont des implications importantes pour toute une série d'applications électroniques et optiques, semblables aux progrès qui ont suivi l'avènement des plaquettes de silicium, largement utilisées dans toutes sortes d'appareils électroniques.
Certaines applications de semi-conducteurs nécessitent un matériau présentant à la fois une conductivité thermique élevée - qui mesure l'efficacité avec laquelle un matériau conduit la chaleur - et une mobilité élevée des électrons et des trous. Des recherches antérieures avaient démontré que l'arséniure de bore cubique avait une conductivité thermique élevée, ce qui fait de la mobilité ambipolaire élevée une avancée cruciale.
"Le potentiel de ce matériau est énorme", a déclaré M. Ren, qui est également titulaire de la chaire de physique M.D. Anderson à l'Université de Houston. Bien que les travaux visant à produire de manière cohérente des cristaux plus grands aux propriétés uniformes soient en cours, le résultat pourrait avoir un impact encore plus important sur le domaine que la tranche de silicium, a-t-il ajouté.
En effet, les semi-conducteurs exigent que le courant soit transporté à la fois par des électrons et des trous, mais la plupart des matériaux connus n'offrent une mobilité élevée que pour un seul type de porteur. L'efficacité globale du semi-conducteur est déterminée par la valeur la plus faible.
"Si les deux sont élevées, le dispositif sera plus efficace", a déclaré M. Ren. "C'est ce qui rend ce matériau unique".
Ren faisait partie d'un groupe de chercheurs qui ont rapporté dans Science en 2018 que le cristal - cultivé à partir de bore et d'arsenic, deux éléments minéraux relativement communs - démontrait une conductivité thermique bien plus élevée que les semi-conducteurs traditionnels. Ce travail s'appuie sur cela, en utilisant des cristaux cultivés dans le laboratoire de Ren pour démontrer que les prédictions théoriques sur la haute mobilité de la substance peuvent être démontrées expérimentalement.
La mobilité des porteurs est mesurée en cm2V-1s-1 ; les chercheurs ont rapporté une mobilité de 1 600 cm2V-1s-1. Cette partie du travail a été menée par Gang Chen, titulaire de la chaire Carl Richard Soderberg d'ingénierie énergétique au MIT et co-auteur de l'article, qui a utilisé une méthode de réseau transitoire optique pour mesurer la mobilité électrique et la conductivité thermique.
Dans le second article, les chercheurs dirigés par Ren et Jiming Bao de l'Université de Houston et Xinfeng Liu du Centre national de nanoscience et de technologie de Pékin, ont signalé une plage allant d'environ 1 500 cm2V-1s-1 à 3 000 cm2V-1s-1.
La mesure de la mobilité des porteurs a été compliquée par le fait que le cristal n'était pas grand et uniforme, ce qui signifie que les méthodes de mesure traditionnelles telles que l'effet Hall ne pouvaient pas déterminer avec précision ses propriétés. Selon les chercheurs, les impuretés ionisées ont affaibli les performances du matériau en dispersant fortement les porteurs de charge, alors que d'autres impuretés - décrites dans l'article comme des "impuretés neutres" - ont eu un impact moindre.
"L'échantillon n'était pas uniforme, mais vous pouvez voir le potentiel localement", a déclaré Ren. "Si vous aviez un cristal exempt de défauts, la mobilité pourrait être potentiellement beaucoup plus élevée que prévu. Nous sommes en recherche permanente pour le découvrir."
Les mesures ont été effectuées à l'aide de différentes méthodes dans les laboratoires de l'UH et du MIT.
Dans le second article, des chercheurs de l'UH et de six universités et institutions chinoises décrivent l'utilisation de la microscopie à réflectivité transitoire pour mesurer la mobilité des électrons et des trous.
Bao, professeur d'ingénierie électrique à l'UH et chercheur principal au Texas Center for Superconductivity, explique que les chercheurs ont utilisé des impulsions laser pour exciter les porteurs dans l'échantillon afin de surveiller leur diffusion et, ce faisant, ont découvert une différence essentielle entre le cristal d'arséniure de bore cubique et la plupart des matériaux semi-conducteurs. Dans le silicium, par exemple, les électrons se déplacent environ quatre fois plus vite que les trous.
"Dans ce cas, les trous se déplacent plus rapidement que les électrons", a-t-il déclaré. Mais les électrons et les trous présentent tous deux une mobilité inhabituellement élevée, ce qui améliore les performances globales du matériau.
Bao a attribué les mesures les plus élevées, qui ont détecté une mobilité bien supérieure à 1 600 cm2V-1s-1, aux "électrons chauds", qui ont conservé la chaleur, ou l'énergie, générée par l'impulsion laser plus longtemps que dans la plupart des autres matériaux. Il en va de même pour les trous dans le matériau, a précisé M. Bao.
La structure du cristal d'arséniure de bore cubique rend le refroidissement des porteurs de charge plus difficile, ce qui signifie qu'ils conservent la chaleur - et la mobilité élevée qui en résulte - plus longtemps. Les chercheurs ont fait état d'une mobilité similaire aux niveaux prédits et à ceux trouvés par le laboratoire de Chen, mais ont noté que des expériences supplémentaires ont révélé une mobilité de plus de 3 000 cm2V-1s-1, qu'ils ont attribuée aux électrons chauds.
Les résultats dépendaient en partie de la mesure d'une section du cristal avec peu ou pas d'impuretés, a déclaré Bao. "L'échantillon n'était pas uniforme, et nous avons trouvé la plus grande mobilité aux endroits où il y avait le moins d'impuretés."
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