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Moduler les propriétés électroniques de β-Ga2O3 par irradiation aux électrons de haute énergie


​Une collaboration menée par le LSI (CEA-CNRS-École polytechnique) avec l'Unité Mixte de Physique CNRS Thales montre que l'irradiation à basse température de l'oxyde de gallium (β-Ga2O3) par des électrons de 2,5 MeV permet de créer sélectivement des lacunes de gallium. Ces résultats constituent un pas important vers le contrôle des propriétés de ce semi-conducteur émergent.
Publié le 23 juin 2022

L'oxyde de gallium est un semi-conducteur émergent à bande interdite ultra-large (4,8 eV) qui a le potentiel de révolutionner l'électronique de haute puissance, du fait de son excellente résistance au claquage. C'est aussi un matériau de choix pour la détection UV dite solar blind (insensible aux photons de longueur d'onde supérieure à 285 nm) qui intéresse notamment la sécurité. Et avec un dopage en terre rare (néodyme, europium, etc.), il présente enfin une photoluminescence particulièrement attractive pour l'optoélectronique.

D'importants efforts sont actuellement déployés au niveau international afin de maîtriser les propriétés électroniques de ce matériau. En particulier, un des défis à relever consiste à obtenir un dopage de type p – le semi-conducteur natif étant de type n en présence de lacunes d'oxygène. L'irradiation aux électrons de haute énergie peut-elle fournir la solution ?

La source SIRIUS du Laboratoire des solides irradiés (Iramis) est équipée d'une ligne d'irradiation à basse température (20 K) qui permet de déposer, sur le réseau cristallin d'oxyde de gallium, juste la quantité d'énergie nécessaire pour éjecter un atome de son site et donc, de créer des défauts ponctuels, composés d'une paire lacune-atome surnuméraire (interstitiel). Quand l'échantillon se réchauffe à température ambiante, les atomes interstitiels se recombinent avec des lacunes ou migrent jusqu'aux interfaces, laissant derrière eux des lacunes beaucoup plus stables qu'immédiatement après l'irradiation. La concentration de lacunes résiduelles ainsi produites peut être contrôlée avec précision en modulant la dose d'irradiation. La technique est non destructive, car un traitement thermique approprié permet aux échantillons de retrouver leur état initial.

Les chercheurs du CEA-Iramis (LSI) ont étudié l'irradiation de couches minces de β-Ga2O3 par cette méthode.

Celle-ci induit des changements significatifs dans leurs propriétés électriques, optiques et leurs spectres de résonance paramagnétique électronique. En cause, la création de lacunes de gallium qui se comportent comme des accepteurs d'électrons. L'irradiation permet de convertir la conductivité de type n due aux électrons dans la bande de conduction de l'échantillon natif en une conductivité de type p liée aux trous créés dans la bande de valence.

Il reste désormais à optimiser cette conversion pour des applications potentielles.


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