Matériaux électroniques essentiels : Partie 4 - Composés du gallium

1 Introduction

Les composés à base de gallium, notamment l'oxyde de gallium (Ga2O3), l'arséniure de gallium (GaAs) et le nitrure de gallium (GaN), ont suscité une grande attention dans le domaine des matériaux électroniques et semi-conducteurs en raison de leurs propriétés physiques et chimiques exceptionnelles. Ces matériaux présentent une gamme variée de caractéristiques électriques, optiques et thermiques, ce qui les rend indispensables aux technologies de pointe.

L'oxyde de gallium (Ga2O3), avec sa bande interdite très large et son champ électrique de rupture élevé, apparaît comme un matériau prometteur pour l'électronique de puissance, les photodétecteurs ultraviolets et d'autres applications optoélectroniques. Par ailleurs, l'arséniure de gallium (GaAs), un semi-conducteur à bande interdite directe avec une mobilité électronique supérieure et des performances à haute fréquence, est depuis longtemps une pierre angulaire des dispositifs optoélectroniques tels que les lasers, les DEL et les cellules photovoltaïques. Le nitrure de gallium (GaN), connu pour sa large bande interdite, sa conductivité thermique élevée et son excellente efficacité, a révolutionné l'électronique de puissance et les systèmes de communication à haute fréquence.

Les techniques de synthèse de ces matériaux, qui vont du dépôt chimique en phase vapeur à l'épitaxie par faisceaux moléculaires en passant par des procédés hybrides innovants, jouent un rôle essentiel dans l'obtention de la qualité cristalline et des performances souhaitées. Comme les composés de gallium continuent à faire progresser les technologies de l'énergie, de l'optoélectronique et de la détection, la compréhension de leur structure, de leurs propriétés et de leurs applications est devenue vitale pour les chercheurs comme pour les professionnels de l'industrie.

Cet article donne un aperçu complet des caractéristiques structurelles, des propriétés physiques, des méthodes de fabrication et des applications du Ga2O3, du GaAs et du GaN, en mettant l'accent sur leurs progrès actuels et leurs perspectives dans le paysage des semi-conducteurs, qui évolue rapidement.

2 Oxyde de gallium (Ga2O3)

L'oxyde de gallium, dont la formule chimique est Ga2O3, est un composé inorganique dont la formule chimique est Ga2O3. Il s'agit d'un semi-conducteur à large bande avec Eg=4,9eV, dont les propriétés de conductivité et de luminescence ont longtemps attiré l'attention. Ga2O3 est un matériau semi-conducteur d'oxyde transparent avec de nombreuses perspectives d'application dans les dispositifs optoélectroniques. Il peut être utilisé comme couche isolante dans les matériaux semi-conducteurs à base de Ga, comme filtre UV et comme détecteur chimique d'O2.

Fig. 1 Poudre d'oxyde de gallium

2.1 Structure cristalline de l'oxyde de gallium

Les cinq structures cristallines de l'oxyde de gallium sont β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 et ε-Ga2O3.

Le β-Ga2O3, également connu sous le nom d'oxyde de gallium monoclinique, a une structure cristalline monoclinique avec le groupe spatial P21 (a=12,203, b=5,671, c=6,524 et β=105,76). Le β-Ga2O3 est constitué d'unités d'oxyde de gallium, qui présentent les caractéristiques suivantes : mobilité élevée des électrons, large écart d'énergie directe et bonne stabilité thermique. Actuellement, le β-Ga2O3 est principalement utilisé dans les domaines des dispositifs semi-conducteurs de haute puissance et des dispositifs optoélectroniques pour l'ultraviolet profond.

L'α-Ga2O3, également connu sous le nom d'oxyde de gallium de système cristallin tétragonal, a une structure cristalline de système cristallin tétragonal avec le groupe spatial C4V (a=12,22, c=5,86). L'α-Ga2O3 est un excellent matériau optique avec une transmission lumineuse élevée et une bonne résistance à la corrosion. Il a un large éventail d'applications dans des domaines tels que l'optoélectronique et les communications optoélectroniques.

Le γ-Ga2O3, également connu sous le nom d'oxyde de gallium à système cristallin cubique, a une structure cristalline à système cristallin cubique avec le groupe spatial Ia3 (a=13,54). Le γ-Ga2O3 présente une transmission optique élevée, une faible densité de défauts et une perméabilité magnétique élevée, ce qui en fait un matériau potentiel pour les dispositifs magnéto-optiques et les détecteurs UV.

Le δ-Ga2O3, également connu sous le nom d'oxyde de gallium à système cristallin orthorhombique, a une structure cristalline orthorhombique avec le groupe spatial Pnma (a=7,794, b=5,580, c=5,395). Le δ-Ga2O3 est un matériau doté d'une bande interdite élevée, d'excellentes propriétés photovoltaïques et d'une bonne stabilité physico-chimique, et il a un large éventail d'applications.

ε-Ga2O3, également connu sous le nom d'oxyde de gallium avec un système cristallin tripartite, a une structure cristalline tripartite avec le groupe spatial R3c (a=12.170, c=24.812). ε-Ga2O3 est un matériau avec une mobilité élevée des porteurs et une grande stabilité thermique, et il a de bonnes propriétés de réponse aux UV. Actuellement, ε-Ga2O3 est principalement utilisé dans les domaines des détecteurs UV et de l'électronique de puissance.

Tableau 1 Comparaison des différentes structures de Ga2O3

2.2 Propriétés physiques et chimiques de l'oxyde de gallium

Ga2O3 peut réagir avec le fluor gazeux pour produire GaF3, et Ga2O3 dissous dans 50 % de HF donne le produit GaF3-3H2O.Ga2O3 est soluble dans l'acide nitrique dilué légèrement chaud, l'acide chlorhydrique dilué et l'acide sulfurique dilué. Après combustion, Ga2O3 n'est pas soluble dans ces acides, ni même dans l'acide nitrique concentré, ni dans les solutions aqueuses de bases fortes, et il ne peut être rendu soluble qu'en faisant fondre NaOH, KOH, ou KHSO4 et K2S2O7 ensemble. Le chlorure de gallium est produit par fusion avec deux fois l'excès de NH4Cl à 250°C. À la chaleur rouge, Ga2O3 réagit avec le quartz pour former un corps vitreux, mais aucun nouveau composé ne se forme lors du refroidissement. Il réagit également avec les creusets en porcelaine émaillée à la chaleur rouge.

Sous l'effet de la chaleur, Ga2O3 peut réagir avec de nombreux oxydes métalliques. La structure cristalline du gallate M(I)GaO2 obtenu par réaction avec des oxydes de métaux alcalins (au-dessus de 400°C) a été déterminée, et comme Al2O3 et Ln2O3, il réagit avec MgO, ZnO, CoO, NiO et CuO pour former le M(II)Ga2O4 de type spinelle. Le produit de la réaction avec les oxydes métalliques trivalents, M(III)GaO3, présente généralement des structures de type chalcocite ou grenat (par exemple, le gallate de lanthanide LnGaO3). Des oxydes ternaires plus complexes sont également disponibles. Les oxydes mixtes de gallium ont été étudiés pour être utilisés dans les lasers, la phosphorescence et les matériaux luminescents. On pense que les propriétés luminescentes des sels de gallium sont attribuées à des vacances d'oxygène. Le FeGaO3 ayant des propriétés électromagnétiques intrigantes (piézoélectricité et ferromagnétisme), sa synthèse, sa stabilité et sa structure cristalline ont fait l'objet d'études approfondies.

En tant que matériau semi-conducteur, l'oxyde de gallium possède une bande interdite ultra-large, avec une intensité de champ électrique de rupture beaucoup plus élevée que celle des autres matériaux semi-conducteurs à large bande. Il présente une résistance à l'enclenchement plus faible au même niveau de tension, ce qui réduit la perte d'énergie. Bien que la conductivité thermique de l'oxyde de gallium soit faible, le problème de la dissipation de la chaleur peut être résolu grâce à l'encapsulation et à d'autres moyens, ce qui contribue au fonctionnement stable du dispositif à une densité de puissance élevée. Les dispositifs en oxyde de gallium peuvent également fonctionner à des températures plus élevées et sont adaptés aux environnements difficiles.

2.3 Préparation de l'oxyde de gallium

1. Méthode de réduction directe : Cette méthode permet d'obtenir du nitrure de gallium en faisant réagir de l'azote avec du gallium métallique, puis en l'oxydant en oxyde de gallium dans de l'oxygène. Cette méthode permet d'obtenir de l'oxyde de gallium d'une pureté relativement élevée, mais le processus est compliqué, nécessite une température élevée et un environnement à haute pression, et le coût de production est élevé.

2. Méthode de dépôt chimique en phase vapeur: Cette méthode permet de préparer de l'oxyde de gallium de haute pureté en transportant un mélange de gaz dans une chambre de réaction, où une réaction chimique se produit à haute température. Les gaz de réaction couramment utilisés comprennent le trichlorure de gallium (GaCl3).

3. Méthode acide : Cette méthode comprend les étapes suivantes :

• Oxydation : ajouter la matière première liquide au réacteur, ajouter l'eau régale goutte à goutte, et agiter, contrôler la température à 80-85℃, temps de réaction de 8±1 heures.
• Neutralisation : La solution de Ga(NO3)3 et de GaCl3 générée est introduite dans le tambour de réaction, de l'ammoniac est ajouté et agité pour neutraliser le pH à 7-7,5, et la température du bain-marie est contrôlée à 60-70℃.
• Filtration : La solution après la réaction de neutralisation a été filtrée à travers un tissu filtrant pour obtenir un précipité d'hydroxyde de gallium.
• Lavage : Le précipité d'hydroxyde de gallium est lavé 5 à 6 fois avec de l'eau de haute pureté, puis filtré.
• Séchage : Après le lavage, l'hydroxyde de gallium est placé dans l'étuve pour sécher l'eau, la température de séchage est de 150℃, et le temps de séchage est de 20±2 heures.
• Torréfaction : Après le séchage, l'hydroxyde de gallium est placé dans le four de grillage pour griller et déshydrater, la température de grillage est de 600-700℃, et le temps de grillage est de 3±0,5 heures.
• Broyage : Après le grillage, l'oxyde de gallium est broyé par un broyeur pour atteindre la maille requise.
• Emballage : Emballage sous vide des produits dans l'entrepôt

2.4 Applications de l'oxyde de gallium

1. Électronique de puissance

L'oxyde de gallium possède un champ électrique de rupture pouvant atteindre 8MV/cm, bien plus élevé que les autres matériaux semi-conducteurs à large bande, ce qui lui confère un avantage significatif dans les scénarios d'application à haute tension, à haute fréquence et à haute puissance. Il présente également une résistance à l'enclenchement plus faible au même niveau de tension, ce qui réduit les pertes d'énergie et améliore l'efficacité de la conversion énergétique. Bien que l'oxyde de gallium ait une faible conductivité thermique, le problème de la dissipation de la chaleur peut être résolu par l'encapsulation et d'autres moyens, ce qui contribue au fonctionnement stable du dispositif à des densités de puissance élevées. Parallèlement, les dispositifs en oxyde de gallium peuvent fonctionner à des températures plus élevées et s'adapter à des environnements difficiles. Par conséquent, l'oxyde de gallium présente un large éventail de perspectives d'application dans le domaine des dispositifs électroniques de puissance, tels que les systèmes d'entraînement de moteurs pour les véhicules électriques et les systèmes de transmission de courant continu à haute tension pour les réseaux intelligents.

2. Dispositifs optoélectroniques

Détecteur d'ultraviolets : L'oxyde de gallium a un grand potentiel d'application dans le domaine de l'optoélectronique, il peut être utilisé pour fabriquer des détecteurs ultraviolets de haute performance avec une sensibilité élevée et une réponse rapide. Ces détecteurs jouent un rôle important dans la surveillance de l'environnement, la biomédecine et d'autres domaines, tels que la détection de la concentration d'ozone dans l'atmosphère et la teneur en matières organiques de l'eau.

Diode électroluminescente (DEL) à UV profond : La structure spéciale de la bande d'énergie du matériau d'oxyde de gallium lui permet d'émettre une lumière ultraviolette profonde avec une longueur d'onde plus courte et une énergie plus élevée, ce qui a un effet de stérilisation plus important. Par conséquent, la DEL à ultraviolet profond a un large éventail d'applications dans la stérilisation et les processus de fabrication de semi-conducteurs, tels que la photolithographie.

Fig. 2 Comparaison des applications du SiC, du GaN et du Ga2O3

3. Le capteur

Les propriétés chimiques et électriques particulières du matériau semi-conducteur oxyde de gallium lui confèrent un large éventail d'applications dans le domaine des capteurs. Il peut être utilisé pour fabriquer des capteurs d'humidité, des capteurs de température, des capteurs de gaz, des capteurs de pression et d'autres capteurs pour répondre aux besoins de différents domaines.

4. Autres applications

Outre les domaines susmentionnés, le matériau semi-conducteur à base d'oxyde de gallium trouve également des applications dans d'autres domaines. Par exemple, il peut être utilisé pour fabriquer des dispositifs d'affichage flexibles, des matériaux pour batteries, etc. En outre, avec les progrès constants de la technologie et la réduction des coûts, l'oxyde de gallium étend progressivement ses applications dans le domaine des radiofréquences, telles que les systèmes radar, les communications par satellite et les stations de base sans fil.

3 Arséniure de gallium（GaAs）

L'arséniure de gallium est un composé inorganique dont la formule chimique est GaAs. Il s'agit d'un solide noir-gris dont le point de fusion est de 1 238°C. Il peut être trouvé dans l'air à une température inférieure à 600°C et n'est pas attaqué par les acides non oxydants. Il peut être stabilisé dans l'air à une température inférieure à 600°C et n'est pas érodé par les acides non oxydants. L'arséniure de gallium est un important matériau semi-conducteur. Il appartient au groupe des semi-conducteurs composés Ⅲ-V. Structure de réseau de type sphalérite, constante de réseau 5,65 × 10-10m, largeur de bande interdite 1,4 eV.

3.1 Structure cristalline de l'arséniure de gallium

La structure cristalline de l'arséniure de gallium appartient au système cristallin cubique, structure cubique à faces centrées (FCC), les atomes de Ga sont situés au sommet du réseau cubique à faces centrées, les atomes d'As sont situés dans les positions à faces centrées des atomes de Ga voisins, et les atomes de Ga et les atomes d'As sont interconnectés par liaison covalente, ce qui confère à l'arséniure de gallium des propriétés de conduction électronique. La constante de réseau du cristal de GaAs est a=5,6535Å.

Fig. 3 Structure cristalline de l'arséniure de gallium

3.2 Propriétés physiques et chimiques de l'arséniure de gallium

L'arséniure de gallium possède des propriétés électroniques supérieures à celles du silicium, ce qui permet de l'utiliser au-delà de 250 GHz. Si les composants équivalents GaAs et Si fonctionnent tous deux à des fréquences élevées, le GaAs produit moins de bruit. De plus, comme le GaAs a une tension d'effondrement plus élevée, il est mieux adapté au fonctionnement à haute puissance que le même composant Si. Grâce à ces caractéristiques, les circuits GaAs peuvent être utilisés dans les téléphones cellulaires, les communications par satellite, les liaisons micro-ondes point à point, les systèmes radar, etc. Le GaAs a été utilisé pour fabriquer des diodes de Gann, des diodes à micro-ondes et des diodes de Geng pour émettre des micro-ondes.

Tableau 2 Propriétés physiques de l'arséniure de gallium

3.3 Préparation de l'arséniure de gallium

1. Solidification par gradient vertical (VGF) : il s'agit du principal procédé de production de plaquettes de GaAs, qui consiste à faire croître des cristaux uniques dans un four de solidification par gradient vertical, ce qui permet d'obtenir des cristaux de meilleure qualité.

2. Méthode de tirage par encapsulation liquide (LEC) : La méthode LEC est le principal procédé de croissance des monocristaux de GaAs semi-isolés non dopés. Plus de 80 % des monocristaux de GaAs semi-isolés disponibles sur le marché utilisent cette méthode. La méthode LEC utilise des réchauffeurs en graphite et des creusets en PBN, le B2O3 étant l'agent de scellement liquide, et la croissance des cristaux s'effectue dans un environnement d'argon de 2MPa. Cette méthode produit des cristaux d'une grande fiabilité et de bonnes propriétés semi-isolantes, mais le dosage chimique est plus difficile à contrôler et la densité de dislocation est plus élevée.

3. Méthode horizontale de Bridgman (HB) : Cette méthode était autrefois le principal procédé de production de masse de monocristaux de GaAs semi-conducteurs, utilisant des bateaux et des tubes de quartz cultivés à la pression atmosphérique. L'avantage de la méthode HB est que le gradient de température est faible et que la densité de dislocation est basse, mais il est difficile de produire des monocristaux de GaAs non dopés et semi-isolants, et l'interface cristalline a la forme d'un D, ce qui entraîne un gaspillage de matériaux.

4. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD) : Les couches minces de GaAs sont générées en faisant réagir des précurseurs gazeux à des températures élevées, ce qui est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour produire des monocristaux de GaAs de haute qualité.

3.4 Applications de l'arséniure de gallium

1. Domaine des micro-ondes : L'arséniure de gallium est largement utilisé dans le domaine des micro-ondes, principalement pour la fabrication de dispositifs à haute fréquence, tels que les transistors à effet de champ à haut potentiel (HEMT), les transistors à effet de champ à faible potentiel de tension (LEMT), les transistors bipolaires, les circuits intégrés frontaux à radiofréquence à métal-oxyde-semiconducteur complémentaire (CMOS), etc. Ces dispositifs jouent un rôle important dans les communications sans fil et les systèmes radar.

2. Domaine optoélectronique : l'arséniure de gallium est un excellent matériau de conversion photoélectrique, utilisé dans la fabrication de lasers à semi-conducteurs à grande vitesse, de cellules solaires à haut rendement énergétique, de photodétecteurs et de commutateurs photoélectriques. En raison de ses caractéristiques de bande interdite directe, l'arséniure de gallium occupe une place particulièrement importante dans le domaine de l'optoélectronique. Il peut passer directement à l'état excité et convient donc à la production de DEL (diodes électroluminescentes) et de lasers, tels que le VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), qui est largement utilisé dans les communications par fibre optique des centres de données à courte distance, dans la reconnaissance faciale TOF et dans d'autres technologies.

3. Domaine de la communication : Dans le domaine des communications, le GaAs est largement utilisé dans les communications par fibre optique dans le récepteur optique, l'amplificateur optique, le modulateur optique et d'autres dispositifs. Ses caractéristiques de haute fréquence, de mobilité élevée des électrons et de faible bruit en font un choix idéal pour les communications par fibre optique.

4. Domaine des cellules solaires : Les cellules solaires au GaAs ont une efficacité de conversion photoélectrique et une stabilité élevées, et sont considérées comme la prochaine génération de matériaux efficaces pour les cellules solaires. Son efficacité de conversion photoélectrique élevée et sa stabilité thermique en font un matériau largement étudié et appliqué dans le domaine des cellules solaires.

5. Microélectronique : Dans le domaine de la microélectronique, le GaAs est utilisé dans les circuits à grande vitesse, les mémoires flash, les transistors de puissance, les réseaux optiques planaires et d'autres dispositifs. Sa grande mobilité électronique et ses caractéristiques de large bande interdite lui confèrent de bonnes performances dans les dispositifs électroniques à grande vitesse.

4 Nitrure de gallium（GaN）

La recherche et l'application des matériaux GaN constituent actuellement le front et le point chaud de la recherche mondiale sur les semi-conducteurs. Il s'agit du développement de dispositifs microélectroniques et optoélectroniques, de nouveaux matériaux semi-conducteurs et, avec le SiC, le diamant et d'autres matériaux semi-conducteurs, de la première génération de matériaux semi-conducteurs Ge, Si, de la deuxième génération de matériaux semi-conducteurs composés GaAs, InP, après la troisième génération de matériaux semi-conducteurs. Le nitrure de gallium possède les propriétés suivantes : large bande interdite, fortes liaisons atomiques, conductivité thermique élevée, bonne stabilité chimique (il n'est pratiquement pas corrodé par les acides) et forte résistance à l'irradiation. Il a de vastes perspectives en optoélectronique, dans les dispositifs à haute température et à haute puissance, et dans les applications de dispositifs à micro-ondes à haute fréquence.

Fig. 4 Poudre de nitrure de gallium

4.1 Structure cristalline du nitrure de gallium

Le nitrure de gallium (GaN) est un matériau semi-conducteur dont la structure cristalline est constituée d'un réseau d'atomes de gallium et d'azote. Les cristaux de nitrure de gallium ont une structure cristalline cubique et leurs cellules contiennent un arrangement d'atomes avec une structure hexagonale compacte.

La structure du réseau des cristaux de nitrure de gallium peut être décrite comme suit : chaque atome de gallium est entouré de quatre atomes d'azote, et quatre atomes de gallium entourent également chaque atome d'azote. Cette structure est connue sous le nom de structure sphalérite ou structure hélicoïdale d'alcène, qui consiste en un arrangement alternatif de liaisons covalentes et ioniques formées par des atomes de gallium et d'azote.

Dans la structure du nitrure de gallium, les atomes d'azote forment des liaisons covalentes avec les atomes de gallium environnants, et ces liaisons covalentes confèrent au cristal une structure stable. En même temps, les atomes d'azote acceptent les électrons des atomes de gallium, formant des ions positifs et négatifs dans le cristal de nitrure de gallium. Cette combinaison de liaisons covalentes et ioniques confère au nitrure de gallium une bonne mobilité des électrons et de bonnes propriétés optiques.

En outre, le réseau des cristaux de nitrure de gallium contient souvent des atomes d'impureté, tels que le silicium et le carbone, etc. Le dopage de ces atomes d'impureté peut moduler les propriétés électriques et optiques du nitrure de gallium, ce qui le rend adapté à différentes applications.

Fig. 5 Structure cristalline du nitrure de gallium

4.2 Propriétés du nitrure de gallium

Le GaN est un composé extrêmement stable et un matériau dur à point de fusion élevé, avec un point de fusion d'environ 1700°C. Le GaN présente un degré d'ionisation élevé, le plus élevé parmi les composés III-V (0,5 ou 0,43). À la pression atmosphérique, les cristaux de GaN ont généralement une structure hexagonale de zincite fibrillaire. Il comporte quatre atomes dans une protocellule dont le volume atomique est environ la moitié de celui du GaAs. En raison de sa dureté, c'est un autre bon matériau pour la protection des revêtements.

Gap énergétique et structure électronique : Le grand écart énergétique du nitrure de gallium (environ 3,4 eV) lui confère une grande transparence dans le domaine visible, ce qui est essentiel pour les dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers. Ses propriétés de bande interdite directe signifient que la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement s'applique lorsque les électrons sautent, ce qui contribue à améliorer l'efficacité des dispositifs optoélectroniques. La structure électronique du GaN détermine également la mobilité des électrons et les propriétés de transport des porteurs, qui sont essentielles pour les caractéristiques de vitesse et de puissance du dispositif.

Propriétés mécaniques : Le nitrure de gallium a une dureté élevée, proche de celle du saphir (environ 9 sur l'échelle de dureté de Mohs), ce qui le rend résistant à un certain degré de contraintes mécaniques et de rayures. Son module d'élasticité élevé rend le nitrure de gallium plus résilient et plus stable dans les applications, capable de résister à un certain degré de pression et de déformation externes.

Propriétés thermiques : Le nitrure de gallium possède une excellente conductivité thermique, qui est élevée par rapport à d'autres matériaux semi-conducteurs. Cette conductivité thermique élevée permet aux dispositifs en nitrure de gallium de dissiper efficacement la chaleur en cours de fonctionnement, ce qui réduit les gradients de température et améliore les performances et la fiabilité des dispositifs. En outre, le coefficient de dilatation thermique relativement faible du nitrure de gallium signifie qu'il est moins sensible aux changements dimensionnels et à la déformation lors des changements de température, ce qui contribue à maintenir la stabilité structurelle du dispositif.

Propriétés optiques : Le nitrure de gallium présente une grande transparence et un faible coefficient d'absorption dans le domaine visible, ce qui lui permet de convertir efficacement l'énergie dans les dispositifs optoélectroniques tels que les diodes électroluminescentes (DEL) et les lasers. Son indice de réfraction élevé permet au nitrure de gallium de réaliser un couplage optique efficace, augmentant ainsi l'efficacité lumineuse et la puissance de sortie des dispositifs optoélectroniques.

Stabilité chimique : Le nitrure de gallium présente une bonne stabilité chimique et résiste à de nombreuses réactions chimiques courantes de corrosion et d'oxydation, telles que les acides, les alcalis et les solvants. Cela permet au nitrure de gallium de maintenir des performances stables dans une variété de conditions environnementales difficiles, telles que les températures élevées, l'humidité élevée et les environnements de gaz corrosifs.

Performance électronique : Le nitrure de gallium présente une excellente mobilité des électrons, généralement comprise entre plusieurs centaines et plusieurs milliers de cm2/(V-s), ce qui lui confère d'excellentes performances dans l'électronique à haute fréquence et à haute puissance. Sa grande mobilité électronique et son taux de dérive à saturation élevé permettent aux dispositifs en nitrure de gallium d'avoir une faible résistance à l'enclenchement et des vitesses de commutation élevées pour les scénarios d'application à haute vitesse et à haute fréquence.

4.3 Préparation du nitrure de gallium

La croissance du matériau GaN est réalisée par la réaction chimique entre le Ga décomposé à partir du TMGa et le NH3 à haute température, avec l'équation de la réaction réversible :

Ga+NH3=GaN+3/2H2

La croissance du GaN nécessite une certaine température de croissance et une certaine pression partielle de NH3. Les méthodes habituellement utilisées sont la MOCVD conventionnelle (y compris l'APMOCVD et la LPMOCVD), la MOCVD assistée par plasma (PE-MOCVD) et la MBE assistée par résonance cyclotronique électronique. La température et la pression partielle de NH3 requises sont réduites de manière séquentielle. Une étude a montré que l'équipement utilisé était l'AP-MOCVD avec un réacteur horizontal et des modifications de conception spéciales, utilisant du TMGa et du NH3 de haute pureté produits dans le pays comme matériaux de programme source, du DeZn comme source de dopage de type P, du saphir (0001) avec du silicium (111) comme substrat utilisant un chauffage par inductance à haute fréquence, du silicium à faible résistance comme générateur de chaleur, et du H2 de haute pureté comme gaz porteur pour la source de MO. Du N2 très pur a été utilisé pour conditionner la zone de croissance. Les mesures HALL, la diffraction bicristalline et la spectroscopie PL à température ambiante ont été utilisées pour la caractérisation qualitative du GaN.

4.4 Applications du nitrure de gallium

1. Nouveaux dispositifs électroniques

La série de matériaux GaN avec un faible taux de génération de chaleur et un champ électrique de claquage élevé est un matériau important pour le développement d'appareils électroniques à haute température et à haute puissance et d'appareils à micro-ondes à haute fréquence. Actuellement, grâce aux progrès de la technologie MBE dans l'application des matériaux GaN et à la percée de la technologie de croissance des couches minces, une variété d'hétérostructures GaN ont été produites avec succès. De nouveaux types de dispositifs tels que les transistors à effet de champ métalliques (MESFET), les transistors à effet de champ à hétérojonction (HFET), les transistors à effet de champ dopés par modulation (MODFET), etc. ont été préparés à partir de matériaux GaN. La structure AlGaN/GaN dopée par modulation présente une mobilité électronique élevée (2000cm2/v-s), une vitesse de saturation élevée (1 × 107cm/s) et une faible constante diélectrique, ce qui permet de produire des dispositifs à micro-ondes à partir de matériaux prioritaires ; la largeur de bande interdite du GaN est plus large (3,4eV) et le saphir et d'autres matériaux pour le substrat, les performances en matière de dissipation de la chaleur sont bonnes, ce qui favorise le fonctionnement du dispositif dans des conditions de forte puissance.

2. Dispositifs optoélectroniques

La série de matériaux GaN est un matériau idéal pour les dispositifs d'émission de lumière à courte longueur d'onde, et la bande interdite du GaN et de ses alliages couvre la gamme spectrale allant du rouge à l'ultraviolet. Depuis le développement des LED bleues à homojonction GaN au Japon en 1991, des LED bleues ultra-brillantes à double hétérojonction InGaN/AlGaN et des GaNLED à puits quantique unique InGaN ont été introduites. À l'heure actuelle, les DEL bleues et vertes à puits quantique unique Zcd et 6cd GaN sont entrées dans la phase de production de masse, comblant ainsi l'absence de DEL bleues sur le marché depuis de nombreuses années. Les dispositifs émettant de la lumière bleue ont un énorme marché d'application dans les domaines de l'accès à l'information des disques optiques à haute densité, des écrans tout-optiques et des imprimantes laser. Les travaux de recherche et de développement sur les matériaux et les dispositifs à base de nitrure Ⅲ continuant à s'intensifier, la technologie des DEL bleues et vertes à très haute luminosité GaInN a été commercialisée, et les grandes entreprises et instituts de recherche du monde entier ont maintenant investi massivement pour rejoindre les rangs de la concurrence en vue de développer les DEL bleues.

3. Capteurs

Le nitrure de gallium peut être utilisé pour fabriquer des capteurs de pression extrêmement précis et sensibles. Les propriétés électriques du nitrure de gallium changent lorsqu'une pression est appliquée de l'extérieur, et la pression peut être mesurée en mesurant des paramètres tels que la résistance, la capacité ou l'effet de champ. Les propriétés thermiques des matériaux en nitrure de gallium les rendent appropriés pour la fabrication de capteurs à haute température. Le nitrure de gallium présente une excellente stabilité et conductivité thermique dans les environnements à haute température et peut être utilisé pour fabriquer des capteurs à haute température, tels que les capteurs de température des moteurs automobiles et les capteurs de surveillance des processus à haute température. Il peut également être utilisé pour fabriquer des capteurs de gaz. La surface du nitrure de gallium présente une bonne inertie chimique et peut avoir des réactions chimiques spécifiques avec de nombreux gaz. Il peut donc être utilisé pour détecter la concentration de gaz spécifiques, tels que les oxydes d'azote, l'ammoniac, etc. En raison des excellentes propriétés optiques du nitrure de gallium, son application dans les capteurs optiques permet de mesurer avec une grande précision des paramètres tels que l'intensité, la longueur d'onde et la direction de la lumière. Grâce à la modification spécifique des biomolécules à la surface des matériaux en nitrure de gallium, il est possible de réaliser une détection très sensible et très sélective des biomolécules, telles que l'ADN, les protéines, les cellules, etc.

Fig. 6 Applications du nitrure de gallium

5 Conclusion

Les composés à base de gallium, notamment Ga2O3, GaAs et GaN, représentent une pierre angulaire de la technologie moderne des semi-conducteurs en raison de leurs remarquables propriétés électriques, optiques et thermiques. Chaque matériau possède des atouts uniques : le Ga2O3 excelle dans les applications à haute puissance et à haute tension grâce à sa bande interdite ultra-large et à son champ électrique de claquage élevé, tandis que le GaAs reste un matériau de premier plan pour les dispositifs à grande vitesse et optoélectroniques en raison de sa mobilité électronique élevée et de sa bande interdite directe. Parallèlement, le GaN a transformé l'électronique de puissance et les systèmes de communication à haute fréquence grâce à sa robustesse, son efficacité et sa large gamme de fonctionnement.

Le développement de techniques de synthèse avancées, telles que le dépôt chimique en phase vapeur, l'épitaxie par jets moléculaires et d'autres méthodes de fabrication sur mesure, a permis un contrôle précis de la qualité du matériau, ouvrant la voie à des applications innovantes dans tous les secteurs. De la conversion d'énergie et de la détection dans l'ultraviolet à la communication 5G et aux systèmes d'énergie renouvelable, les composés de gallium stimulent le progrès technologique et répondent à la demande croissante d'appareils à haut rendement énergétique et à haute performance.

La recherche et le développement se poursuivant, ces matériaux devraient permettre de relever les défis actuels, tels que la gestion thermique et l'évolutivité, grâce à l'ingénierie des matériaux et à l'intégration avec les technologies émergentes. Les composés à base de gallium resteront à la pointe de l'innovation, à la base des progrès futurs en électronique, en optoélectronique et au-delà.

Stanford Advanced Materials (SAM) est un fournisseur clé de matériaux de germanium de haute qualité, qui soutient ces applications critiques grâce à des solutions matérielles fiables.

Pour en savoir plus :

Matériaux électroniques essentiels : Partie 1 - Silicium

Matériaux électroniques essentiels : Partie 2 - Carbure de silicium

Matériaux électroniques essentiels : Partie 3 - Germanium