Concevoir un transistor est souvent affaire de compromis. La diminution de la résistance pour réduire les pertes d’énergie par conversion s’accompagne naturellement d’une chute de la tension de claquage ce qui limite l’utilisation du dispositif à des applications à basse puissance. Une équipe de scientifiques de l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse a mis au point un transistor nanostructuré contenant plusieurs canaux de conduction. Pour une même tension de claquage, leur dispositif affiche une résistance de feuille quatre fois plus faible que les transistors à un seul canal de conduction. Leurs travaux ont été publiés dans Nature electronics le 25 mars 2021.
Pour abaisser la résistance de leur transistor, et donc en améliorer la conductivité, les chercheurs ont utilisé une structure à plusieurs canaux de conduction. Les multiples canaux permettent de répartir le courant qui circule, et d’éviter ainsi la surchauffe. « C’est comme sur l’autoroute où l’ajout d’une voie de circulation permet de limiter les bouchons », illustre Elison Matioli, l’un des auteurs de la publication. Pour fabriquer cette structure, les scientifiques ont déposé par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) des couches alternées de nitrure de gallium (GaN) et de nitrure d’aluminium-gallium (AlGaN) sur un substrat en silicium.
Un contrôle simultané des canaux
« Pour une même tension de claquage, nous avons montré que la résistance de feuille de la structure diminue de façon linéaire avec l’augmentation du nombre de canaux », explique Elison Matioli. Encore faut-il parvenir à contrôler l’ensemble de ces canaux de façon simultanée… Car la performance d’un transistor repose en grande partie sur sa capacité à changer d’état (bloqué ou conducteur) de façon très instantanée. Les scientifiques suisses ont structuré les canaux par lithographie à faisceau d’électrons sous forme de nanofils. « Avec ces nanostructures, on contrôle de façon assez efficace tous les canaux ensemble. Et en variant le diamètre des nanofils entre les deux électrodes, nous avons réussi à augmenter la tension de claquage du transistor », affirme Elison Matioli.
Ce dispositif nanostructuré à multiples canaux pourrait être utilisé pour des applications à haute puissance, notamment dans les voitures électriques ou les panneaux photovoltaïques. Ces premiers travaux ont montré que l’approche fonctionne avec une structure à quatre canaux. Les scientifiques de l’EPFL se concentrent désormais sur l’optimisation de structures avec d’avantage de canaux. « Il est difficile d’ajouter des canaux sans que la barrière de AlGaN se dégrade alors nous cherchons des matériaux alternatifs. Et dès que nous augmentons la conductivité, il faut trouver une géométrie adaptée, comme nous l’avons fait avec les nanofils, pour conserver une tension de claquage élevée », explique le scientifique.
