Rapport sur une étude portant sur l’intégration de l’oxyde de gallium à haute constante diélectrique pour les transistors bi-dimensionnels

Contexte académique

Avec les progrès constants dans la technologie des semi-conducteurs, les matériaux bidimensionnels (comme le disulfure de molybdène, MoS₂) sont considérés comme des candidats potentiels pour les canaux de la prochaine génération de transistors en raison de leurs propriétés électriques uniques et de leur épaisseur atomique. Cependant, les performances des transistors bi-dimensionnels dépendent largement de la qualité de la couche diélectrique de la grille. Les techniques de dépôt conventionnelles (telles que le dépôt chimique en phase vapeur, CVD, et le dépôt en couche atomique, ALD) ont du mal à produire des couches diélectriques ultrafines et homogènes sur la surface des matériaux bidimensionnels, ce qui entraîne une mauvaise qualité d’interface et, par conséquent, une dégradation des performances. Ainsi, développer une méthode permettant de former des couches diélectriques ultrafines et de haute qualité sur ces surfaces constitue un domaine clé de recherche.

Origine de l’étude

Cette recherche, réalisée par une équipe composée de chercheurs issus de plusieurs institutions, est dirigée par Kongyang Yi, Wen Qin, Yamin Huang, et d’autres collaborateurs des universités et centres de recherche tels que l’Université Technologique de Nanyang (NTU, Singapour), l’Université de l’Aéronautique et de l’Astronautique de Nanjing (Chine), l’Institut de Microsystèmes et de Technologie de l’Information de l’Académie Chinoise des Sciences à Shanghai, l’Université du Texas à Austin (États-Unis), et l’Université Rice (États-Unis). L’étude a été publiée en décembre 2024 dans la revue Nature Electronics. Le titre de cette étude : “Integration of high-κ native oxides of gallium for two-dimensional transistors”.

Processus de recherche et méthodes expérimentales

1. Préparation et intégration de Ga₂O₃

Les chercheurs ont proposé une méthode basée sur le métal liquide pour la préparation d’oxyde de gallium (Ga₂O₃). Les métaux liquides (comme l’alliage eutectique gallium-indium, e-GaIn) forment naturellement une couche d’oxyde de gallium ultrafine et homogène dans des conditions ambiantes. En utilisant des méthodes d’impression par compression (squeeze-printing) et de tension de surface (surface-tension-driven), ils ont réussi à transférer cette couche d’oxyde de gallium sur le MoS₂.

• Méthode de compression : Une gouttelette de métal liquide est déposée sur le substrat souhaité, puis comprimée pour éliminer l’excès de métal liquide, laissant derrière elle une couche d’oxyde de gallium.
• Méthode de tension de surface : Le métal liquide est d’abord compressé jusqu’à une épaisseur inférieure à 1 mm, puis rapidement refroidi à l’état solide, avant d’être chauffé pour produire des couches de Ga₂O₃ à grande échelle.

2. Caractérisation du Ga₂O₃

Des instruments comme le microscope à force atomique (AFM) et le microscope électronique à transmission (TEM) ont été utilisés pour analyser l’épaisseur et l’homogénéité de la couche de Ga₂O₃. Les résultats montrent une épaisseur de 2,7 nm avec une excellente uniformité sur une large surface. L’analyse chimique par spectroscopie de photoélectrons X (XPS) et spectroscopie dispersive en énergie (EDS) a confirmé la composition et l’état d’oxydation de cet oxyde.

3. Fabrication de transistors

Les chercheurs ont ajouté la couche diélectrique d’oxyde de gallium au-dessus du MoS₂, créant un transistor à effet de champ à grille supérieure (FET). En utilisant la lithographie par faisceau d’électrons (EBL) et le dépôt métallique, ils ont fabriqué des électrodes pour la source, le drain et la grille. La couche de Ga₂O₃ dans les zones de la source et du drain a été sélectivement gravée pour exposer le canal en MoS₂.

Résultats principaux

1. Propriétés diélectriques du Ga₂O₃

La couche de Ga₂O₃ a montré d’excellentes propriétés diélectriques : - Une constante diélectrique d’environ 30. - Une tenue au champ électrique atteignant 11 MV/cm. - La mesure capacité-tension (C-V) révèle que la constante diélectrique reste stable aux basses fréquences (<100 kHz).

2. Performances des transistors

Les transistors MoS₂ équipés de couches diélectriques de Ga₂O₃ ont atteint des performances électriques exceptionnelles : - Pente sous-seuil (SS) : Réduite à 60 mV/dec, proche de la limite théorique (59,6 mV/dec). - Rapport marche/arrêt (on/off) : Supérieur à 10⁸. - Courant de fuite de la grille : Réduit à 4 × 10⁻⁷ A/cm², considéré comme négligeable.

3. Intégration et circuits logiques à grande échelle

L’équipe a démontré l’application du Ga₂O₃ à grande échelle en construisant un réseau de 25 transistors à grille supérieure, ainsi que des circuits logiques tels que des inverseurs, NAND, NOR, AND et XOR. Ces circuits ont fonctionné avec des performances adéquates sous de faibles tensions (0,5 V), soulignant ainsi le potentiel du Ga₂O₃ pour les circuits intégrés de haute densité.

Signification et valeur de l’étude

Cette étude propose une méthode innovante pour préparer des couches de Ga₂O₃, résolvant le problème de la faible qualité des couches diélectriques généralement obtenues par des techniques de dépôt classique. En exploitant l’oxydation naturelle des métaux liquides, les chercheurs ont produit des couches diélectriques ultrafines et homogènes, améliorant significativement les performances des transistors à base de matériaux bidimensionnels. Ce travail présente à la fois une contribution fondamentale à la science des matériaux et un cadre technologique prometteur pour la fabrication à grande échelle de dispositifs électroniques bidimensionnels à faible coût.

Points saillants de l’étude

1. Méthodologie innovante : L’utilisation de l’oxydation naturelle de métaux liquides permet la production de couches de Ga₂O₃ ultrafines et homogènes sans les défauts observés dans les techniques classiques de dépôt.
2. Excellentes performances des transistors : Les transistors MoS₂ fabriqués ont atteint des performances presque idéales, notamment en ce qui concerne la pente sous-seuil et le rapport marche/arrêt.
3. Intégration à grande échelle : L’intégration de Ga₂O₃ pour réaliser des circuits logiques complexes montre sa pertinence pour les applications futures des circuits électroniques de haute densité.

Conclusion

Cette recherche met en lumière l’utilisation réussie de l’oxyde de gallium obtenu à partir de métaux liquides comme couche diélectrique dans des transistors bidimensionnels. Les méthodes d’impression par compression et de tension de surface permettent de déposer facilement et efficacement Ga₂O₃ dans des environnements ambiants. Cette approche, associée aux excellentes propriétés diélectriques de l’oxyde, offre une opportunité pour le développement à grande échelle de circuits logiques, marquant un tournant dans la technologie des semi-conducteurs pour l’électronique bidimensionnelle.