Hétérojonctions nitrure de niobium/nitrure d’élément III par épitaxie par jets moléculaires : Première démonstration d’un transistor à base métallique – Niobium

Le projet NIOBIUM a pour but la première réalisation d'un transistor à base métallique (MBT) dans la famille des semiconducteurs III-N. Le point clé est de développer par épitaxie une hétérostructure cristalline originale III-N/métal/III-N. L’élaboration par épitaxie par jets moléculaires (MBE) de films minces de nitrure de Niobium, le matériau proposé pour réaliser la couche métallique, constitue le cœur du projet . Cette nouvelle génération de composants verticaux à haute fréquence, représenterait une avancée remarquable dans le domaine des dispositifs GaN radiofréquence (RF) et jouerait un rôle majeur dans la demande croissante de connectivité. Cette percée sera d’autant plus significative que le projet NIOBIUM propose de réaliser ces nouveaux composants MBT sur substrat silicium.

Les transistors à haute mobilité électronique (HEMT) sur GaN sont étudiés depuis plus de 20 ans. Toutefois, leur géométrie latérale rend de plus en plus difficile leur montée en fréquence. Les transistors verticaux sont affranchis de plusieurs limites propres aux HEMT. La réduction des dimensions latérales nécessaire au fonctionnement à haute fréquence est moins drastique, et le composant est moins sensible aux effets de surface.

Bien que des hétérostructures NbN/III-N et III-N/NbN de bonne qualité cristalline aient été publiées ces dernières années, la plupart obtenues en épitaxie par MBE, aucune hétérostructure III N/NbN/III-N réalisée par épitaxie n'a été publiée à ce jour.

L'originalité du projet repose principalement dans la complémentarité des expertises du III-V Lab, du CRHEA et du CIMAP. III-V Lab, laboratoire de recherche industrielle, a une longue histoire et une grande expertise dans le domaine des composants semiconducteurs. III-V Lab a récemment obtenu un brevet sur les transistors à base métallique dans la famille des III-N. Le CRHEA apporte une expertise de plus de 25 ans dans le domaine de l'épitaxie des matériaux III-N. Grâce à un savoir-faire spécifique du CRHEA dans l’épitaxie des III-N sur silicium, la croissance des hétérostructures contenant du NbN sera optimisée sur silicium. Le contrôle ultime des hétérostructures nécessaire pour la démonstration d’un transistor MBT sera rendu possible par une étroite collaboration avec le CIMAP qui dispose des toutes dernières technologies et d’une remarquable expertise dans le domaine de la microscopie électronique en transmission (TEM).

Le marché du GaN pour les applications radiofréquence (RF) croît rapidement de 630Mn€ en 2019 à 1,7Md€ en 2025 et cela semble devoir continuer avec l’arrivée de la 5G et bientôt la 6G. En proposant un transistor innovant à géométrie verticale pour contourner les verrous qui limitent les performances des HEMT, le projet NIOBIUM offre une opportunité de réaliser une percée remarquable dans le domaine des composants à très haute fréquence, domaine stratégique pour la souveraineté technologique de la France et de l’Europe.
Enfin, l’élaboration par épitaxie d’hétérostructures originales III-N/NbN avec un contrôle ultime des interfaces et des épaisseurs, où la couche de NbN sera métallique à température ambiante et supraconductrice à basse température, va sans aucun doute permettre de réaliser des percées dans de nombreux autres domaines où la qualité de ce type d’hétérojonctions métal/semiconducteur et supraconducteur/semiconducteur joue un rôle essentiel.

On peut citer par exemple l’étude du désordre dans les propriétés supraconductrices des films minces de NbN avec des applications dans la fabrication de détecteurs de photon unique très performants, ou l’excitation d’ondes acoustiques à l’interface métal/semiconducteur piézoélectrique avec des applications dans la fabrication de résonateurs à ondes acoustiques de volume.

Le développement de composants RF à base de GaN s'inscrit dans la stratégie du III-V Lab (Thales-Nokia-CEA-LETI GIE). De plus les liens de III-V Lab avec UMS (JV Thales-Airbus) permettent des transferts industriels facilités.