Le développement de transistors de puissance pour des applications haute tension nécessite des matériaux à large bande interdite et à champ électrique critique élevé. Le β-Ga2O3 monoclinique se distingue par sa largeur de bande interdite d'environ 4,8 eV et un champ critique calculé allant jusqu'à 8 MV/cm, ce qui en fait une plateforme prometteuse pour l'électronique de puissance. Cependant, les canaux uniformément dopés de ces transistors souffrent d'un compromis entre mobilité et épaisseur : pour une mobilité élevée, il faut un dopage faible, mais alors le canal doit être épais, ce qui augmente la longueur de grille et exacerbe les effets de canal court. Le dopage modulé dans les hétérostructures β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 résout ce problème en formant un gaz d'électrons bidimensionnel à haute mobilité sans impuretés ionisées dans le canal. Auparavant, ces structures étaient principalement étudiées pour des applications radiofréquences, et leur potentiel pour un fonctionnement à haute tension restait peu exploré. Ces travaux comblent cette lacune en démontrant une tension de claquage record pour des transistors à dopage modulé sur oxyde de gallium.
Les hétérostructures ont été cultivées par dépôt chimique en phase vapeur aux organométalliques (MOCVD) dans un réacteur Agnitron Agilis 100 sur des substrats de β-Ga2O3 (010) dopés au fer. On a d'abord déposé une couche tampon de β-Ga2O3 non dopé d'environ 100 nm d'épaisseur, puis une couche d'espacement en β-(Al0.19Ga0.81)2O3 de 5 nm, après quoi on a introduit un dopage δ au silicium avec une dose de 1 nmol, puis on a fait croître une couche barrière en β-(Al0.19Ga0.81)2O3 de 20 nm. Pour former les contacts de source et de drain, on a gravé sur une profondeur de 80 nm à travers un masque de SiO2 afin d'exposer le canal, puis on a fait repousser du β-Ga2O3 fortement dopé n++ d'une épaisseur de 120 nm. Les contacts Ti/Ni ont été déposés par évaporation par faisceau d'électrons et recuits à 470 °C. L'isolation des zones actives a été réalisée par gravure plasma, et pour supprimer le courant de fuite de grille, on a déposé 9 nm d'Al2O3 par dépôt de couche atomique assisté par plasma. La grille en Ni de 120 nm d'épaisseur a été formée par évaporation, puis le dispositif a été passivé avec une couche de SiNx de 250 nm déposée à 350 °C. Les mesures de tension de claquage ont été effectuées dans le liquide Flourinert pour éviter le claquage de surface dans l'air.
Les mesures Hall du canal ont montré une densité de porteurs de 3,2×10¹² cm⁻², une mobilité de 132 cm²/V·s et une résistance de couche de 14,8 kΩ/□. Le transistor avec des dimensions LGS/LG/LGD=1,5/2/3 μm a présenté une tension de seuil de −0,7 V, une pente sous le seuil de 94 mV/décade, un rapport de courants ION/IOFF supérieur à 10⁸ et un courant de fuite à l'état bloqué inférieur à 1,5×10⁻¹⁰ A/mm. Le courant de drain maximal a atteint 54 mA/mm, et la résistance à l'état passant était de 149 Ω·mm. La tension de claquage a augmenté de manière monotone avec la distance grille-drain : de 545 V à LGD=3 μm jusqu'à 6,6 kV à LGD=28 μm. Le champ électrique latéral moyen s'est saturé à environ 2,4 MV/cm pour LGD>13 μm. La résistance spécifique à l'état passant pour le dispositif avec LGD=28 μm était de 196 mΩ·cm², ce qui donne un indice de qualité en puissance de 222 MW/cm², un record pour les MODFET β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3. Une modélisation électrostatique bidimensionnelle pour LGD=13 μm sous une tension de 3 kV a montré que le champ maximal est localisé au bord de la grille et atteint 12 MV/cm dans la couche barrière, ce qui indique la possibilité d'améliorations supplémentaires grâce à des techniques de gestion du champ.
Ces travaux démontrent que les hétérostructures à dopage modulé β-(AlxGa1-x)2O3/β-Ga2O3 peuvent supporter des tensions de plusieurs kilovolts sans utiliser de plaques de champ ni de terminaison de bord. Cela les distingue des études voisines qui se concentraient soit sur les propriétés radiofréquences de ces MODFET, soit sur des transistors haute tension à canaux uniformément dopés, où des méthodes complexes de gestion du champ étaient nécessaires. Ici, la tension de claquage record est obtenue grâce au matériau lui-même et à l'architecture à gaz d'électrons bidimensionnel, ce qui simplifie la conception et ouvre la voie à la mise à l'échelle. Ce résultat place les MODFET β-Ga2O3 au même niveau que les meilleurs transistors latéraux à oxyde de gallium et confirme leur potentiel pour l'électronique de puissance de nouvelle génération.
Les développements futurs pourraient intégrer des plaques de champ et optimiser la terminaison de bord afin de rapprocher le champ moyen de claquage de la limite théorique du β-Ga2O3 (8 MV/cm). L'amélioration de la qualité de l'hétérostructure, par exemple en réduisant la conduction parallèle dans la couche δ-dopée, permettrait d'augmenter la mobilité du gaz d'électrons bidimensionnel et de diminuer la résistance du canal. Il est également prometteur de réduire la longueur de grille pour diminuer la résistance spécifique à l'état passant tout en maintenant une tension de claquage élevée. L'étude de la fiabilité des dispositifs sous haute tension en fonctionnement prolongé constituera une étape importante vers une application pratique.
Ces résultats influenceront le développement de convertisseurs de puissance, d'onduleurs pour véhicules électriques, de systèmes de transmission d'énergie et d'alimentations à découpage, où des dispositifs compacts avec une tension de claquage de plusieurs kilovolts sont nécessaires.
Les prochaines étapes comprennent l'intégration de plaques de champ pour supprimer le champ maximal au bord de la grille, l'optimisation du profil de dopage δ pour améliorer la mobilité, et la réalisation de tests de fiabilité sous hautes tensions et températures.
Dans le domaine de l'électronique de puissance à oxyde de gallium, le problème non résolu est d'atteindre une tension de claquage élevée tout en maintenant une faible résistance spécifique à l'état passant. Ces travaux montrent que le dopage modulé peut atténuer ce compromis, mais le champ maximal au bord de la grille limite encore le champ moyen de claquage, ce qui nécessite des recherches supplémentaires sur la gestion du champ électrique.
La tension de claquage de 6,6 kV est suffisante pour la commutation directe dans les réseaux de distribution à moyenne tension, qui fonctionnent généralement entre 4 et 35 kV, et le dispositif lui-même ne mesure que 100 μm de large.