Le nitrure de Gallium (GaN), en tant que matériau de base des semi-conducteurs à large bande passante de troisième génération, émerge rapidement comme le choix idéal pour les applications optoélectroniques, électroniques de puissance et microélectroniques en raison de ses propriétés supérieures. GaN présente une force de champ de décomposition élevée, une vitesse de saturation électronique élevée, une forte résistance aux rayonnements et une excellente stabilité chimique, prenant en charge un large éventail d’applications à haute puissance et à haute efficacité. Cependant, malgré ses performances exceptionnelles, GaN&#Le développement d’applications pratiques a été limité par des défis techniques importants.

Avantages et défis du nitrure de Gallium

L’un des avantages les plus notables de GaN réside dans sa capacité à servir de substrat pour la croissance de couches épitaxiales de GaN de haute qualité. Cela peut réduire considérablement la densité de défaut dans la couche épiaxiale par rapport aux substrats de saphir, abaissant efficacement la température de jonction des led et augmentant la luminosité par unité de surface par plus de dix. Néanmoins, la croissance des monocristaux GaN est un processus très difficile. Le GaN ne peut pas fondre sous pression normale et se décompose en Ga et en azote à haute température. Cette caractéristique empêche l’utilisation des méthodes traditionnelles de fusion pour la culture des monocristaux GaN, limitant ainsi la taille et le rendement des cristaux GaN et augmentant les coûts. Actuellement, un 2-inch GaN wafer est prix aussi élevé que$5 000 sur le marché international, et même à ce prix, l’offre reste serrée.

Procédés de culture de monocristaux GaN

Pour surmonter les défis liés à la croissance des monocristaux GaN, les universités et l’industrie ont mis au point plusieurs méthodes, y compris l’épitaxie en Phase de vapeur d’hydrure (HVPE), les techniques ammonothermiques et basées sur le fluide. Chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients et a été progressivement adoptée dans la production pratique.

1. Épitaxie de Phase de vapeur d’hydrure (HVPE)

Le HVPE est actuellement la méthode la plus courante pour cultiver des substrats monocristaux GaN. Les avantages de la technologie HVPE incluent la croissance de la pression atmosphérique, des taux de croissance rapides, et la capacité à réaliser la production de cristal de grande taille. Le système HVPE se compose principalement de deux zones de réaction: une zone à basse température et une zone à haute température. Dans la zone basse température, le gallium métallique réagit avec le chlorure d’hydrogène pour former du chlorure de gallium gazeux (GaCl), qui est ensuite transporté dans la zone haute température par un gaz vecteur. Dans cette zone, le GaCl réagit avec l’ammoniac (NH3) sur le substrat pour déposer des monocristaux GaN. En raison de sa maturité et de son efficacité, HVPE a été largement adopté pour la production commerciale.

2. Méthode ammonothermique

La méthode ammonothermique permet de faire pousser des cristaux de GaN en dissolvant la matière première de GaN dans une solution d’ammoniac supercritique à haute température et pression, puis en la recristallisant sur un cristal de graine de GaN. Ce processus, qui s’apparente à la croissance hydrothermale du quartz, est réalisé dans un autoclave, qui doit être fabriqué à partir de matériaux spéciaux résistants aux hautes températures, aux hautes pressions et aux environnements corrosifs. La méthode ammonothermique#Le principal avantage est qu’il permet la croissance du GaN à des températures relativement basses, bien que les coûts élevés associés à la construction et au fonctionnement de l’autoclave limitent son utilisation répandue.

3. Méthode basée sur le flux

La méthode à base de flux, également connue sous le nom de méthode de flux de sodium (Na), améliore la solubilité de l’azote dans le gallium en ajoutant du sodium à la fonte de gallium, permettant ainsi la croissance du GaN à des températures et des pressions plus basses. Dans ce procédé, le sodium dans la fusion Ga-Na facilite l’ionisation de l’azote gazeux à l’interface gaz-liquide, formant des ions d’azote (N³⁻). Bien que nitrogen&#La solubilité dans le Ga et le Na métalliques est faible, le N³⁻ ionisé augmente la solubilité de l’azote dans le bain de près de mille fois. Sous des gradients de température ou de concentration, ces ions N³⁻ sont transportés vers le cristal de graine, où ils contribuent à la croissance épitaxiale en phase liquide du GaN. En contrôlant avec précision les conditions de croissance, il est possible d’obtenir une croissance continue de cristaux simples GaN de grande qualité et de grande taille. Cependant, en raison des conditions de croissance extrêmes requises, cette méthode n’a pas encore été largement appliquée dans la production de masse.

Perspectives et orientations futures

Grâce aux progrès continus de la technologie de production, le coût des monocristaux GaN devrait diminuer, ce qui mènera à une dynamique d’offre et de demande plus équilibrée sur le marché. Les percées dans la croissance monocristalline GaN de haute qualité amélioreront non seulement les performances des appareils optoélectroniques et électroniques de puissance, mais accéléreront également l’adoption plus large du GaN dans divers domaines. À mesure que de nouveaux défis techniques sont abordés, GaN' le potentiel en tant que matériau semi-conducteur sera mieux réalisé, ce qui insuffle un nouvel élan à l’innovation technologique.

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