La technologie des semi-conducteurs sous-tend les avancées globales dans les secteurs de l’information et de l’énergie, transformant fondamentalement la production humaine et les modes de vie. Les semi-conducteurs de première génération, le Germanium (Ge) et le silicium (Si), sont les plus mûrs. Les semi-conducteurs de deuxième génération sont l’arséniure de Gallium (GaAs) et le phosphure d’indium (InP). Les semi-conducteurs de troisième génération, le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de Gallium (GaN), ont produit et continuent de produire des effets profonds et durables dans l’électronique de puissance et les champs à micro-ondes RF.

Dans le tableau périodique, GaN appartient aux composés du groupe III-V. Selon le type de liaison chimique, sa structure cristalline peut être de wurtzite hexagonale ou de blende de zinc cubique. Dans les composés, il existe principalement deux types de liaisons chimiques: ionique et covalente. Plus la teneur en liaison ionique est élevée, plus elle est susceptible de former une structure de wurtzite. En raison de la différence significative d’électronégativité entre Ga et N, ils sont plus susceptibles de former des liaisons ioniques. Par conséquent, à température ambiante, GaN présente une structure de wurtzite thermiquement stable et résistante à la corrosion.

Comparé aux matériaux semi-conducteurs de première et deuxième génération, GaN a un large bande passante, une faible constante diélectrique, une force de champ critique élevée, une mobilité électronique élevée, une conductivité thermique élevée, une résistance à haute température et une excellente résistance aux rayonnements. Grâce à ces excellentes propriétés matérielles, GaN présente un potentiel énorme dans les chargeurs rapides, les transistors, les appareils à micro-ondes RF, et plus encore, ce qui en fait un point chaud de la recherche dans le monde entier. Tableau 1: taux de croissance annuel moyenMontre une comparaison des paramètres des matériaux entre GaN et d’autres matériaux semi-conducteurs. Cet article fournit une explication détaillée des méthodes de préparation des substrats monocristallins GaN.

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

HVPE, ou épitaxie en Phase vapeur d’hydrure, présente un taux de croissance rapide et la capacité de produire de gros cristaux, ce qui en fait l’une des technologies les plus matures et la principale méthode pour les substrats monocristaux GaN disponibles dans le commerce. En 1992, Detchprohm et al. ont utilisé pour la première fois la méthode HVPE pour faire pousser des films GaN (400 nm), ce qui a attiré l’attention du public. Bien que les procédés HVPE soient matures et aient un taux de croissance rapide, ils présentent des inconvénients tels qu’un faible rendement en qualité cristalline et une faible consistance du produit. En général, on utilise des méthodes de croissance hétéroépitaxiale, dans lesquelles le GaN est cultivé sur des substrats de saphir ou de Si, puis séparé pour produire des substrats monocristallins en utilisant des techniques telles que la décomposition thermique, le décollage au laser ou la gravure chimique.

2. Dépôt de vapeur chimique métal-organique (MOCVD)

MOCVD, ou dépôt de vapeur chimique métal-organique, a un taux de croissance stable et une croissance de haute qualité, adapté à la production à grande échelle. C’est l’une des technologies les plus mûres et les plus utilisées. MOCVD a été proposé pour la première fois par Mannacevit dans les années 1960 et a mûri dans les années 1980. Dans la croissance MOCVD des monocristaux GaN, le triméthylgallium (TMGa) ou le triéthylgallium (TEGa) sont principalement utilisés comme sources de gallium, le TMGa étant le plus couramment utilisé en raison de son point de fusion. NH₃ est utilisé comme gaz réactif et N₂ de grande pureté comme gaz vecteur. Sous des températures élevées (600~1300℃), des couches minces de GaN sont déposées avec succès sur des substrats de saphir. Malgré MOCVD' S de haute qualité du produit, des cycles de croissance courts et un rendement élevé, il est coûteux en raison des matières premières coûteuses et nécessite un contrôle précis du processus de réaction.

3. Méthode ammonothermique

La méthode ammonothermique est l’une des principales méthodes de culture du GaN aujourd’hui. Proposée pour la première fois dans les années 1990, les chercheurs se sont inspirés de la méthode hydrothermale utilisée pour la production de masse du quartz. Le processus de croissance est semblable à la méthode hydrothermale, mais l’ammoniac remplace l’eau comme solvant. Comme le montre la Figure 3, en contrôlant la température, l’autoclave peut être divisé en deux zones: une zone de dissolution et une zone de croissance. En raison du gradient de température entre ces deux zones, il y a convection. Le processus consiste à transporter le GaN polycristallin ou Ga (la source de Ga) à la zone de dissolution pour se dissoudre. Par convection, la source de Ga dissous est transportée dans la zone de croissance, où les conditions de sursaturation permettent la cristallisation et la croissance du GaN. La source de Ga qui n’a pas réagi retourne alors dans la zone de dissolution en raison de la convection, répétant le cycle pour obtenir en continu le GaN.

Pendant le processus de croissance, la solubilité dans la zone de croissance est insuffisante pour soutenir la croissance continue du GaN. Pour augmenter la solubilité et donc le rendement, des minéralisateurs sont ajoutés. Actuellement, les minéralisateurs courants sont divisés en deux catégories en fonction de leur acidité ou de leur alcalinité: les minéralisateurs acides pour les basses températures, comme le XNH2 (X = Li, Na, K), et les minéralisateurs basiques pour les températures élevées, comme le NH4Y (Y = Cl, Br, I).

La méthode ammonothermique produit du GaN avec une grande pureté et une qualité cristalline élevée, mais présente des inconvénients tels que de faibles taux de croissance et un faible rendement.

4. Méthode de Flux

La méthode du Flux est une méthode représentative pour la culture du GaN monocristalline et constitue une amélioration par rapport à la méthode de la Solution à haute pression (HPNS). La méthode HPNS a des taux de croissance lents et nécessite des conditions à haute température et à haute pression (niveaux de GPa, températures supérieures à 1500℃). Dans les années 1990, Yamane a proposé pour la première fois l’ajout de Na à l’ag liquide sous forme de flux, connu sous le nom de méthode de flux Na. Au début du 21e siècle, Yusuke Mori utilisait la méthode du Na-Flux pour faire pousser des cristaux simples GaN de 2 pouces. La méthode Na-Flux réduit la pression de GPa à des niveaux de MPa et abaisse la température de croissance à environ 750℃. Le processus de croissance nécessite des monocristaux GaN cultivés par MOCVD comme substrats pour l’épitaxie. Le principe de la méthode du flux d’azote est que l’azote gazeux se dissocie en atomes d’azote avant d’entrer dans la solution de Ga-Na, qui peut exister de façon stable dans la solution. Lorsque la solubilité de N dépasse la concentration critique de croissance du GaN, il se nuclée spontanément pour la croissance épitaxiale. La méthode de flux na-produit des cristaux simples GaN de haute pureté et de haute qualité, mais nécessite un équipement de haute qualité, a un faible taux de croissance et est principalement influencé par le flux N₂.

Outre ces méthodes, il existe d’autres techniques de préparation de films minces monocristallins GaN, telles que le dépôt de couche atomique (ALD) et la pulvérisation par magnétron. Cependant, la qualité cristalline et la pureté des films GaN cultivés par ces méthodes sont faibles, ce qui les rend impropre à la production commerciale.

Conclusion Conclusion

Le nitrure de Gallium (GaN), en tant que matériau semi-conducteur de troisième génération, présente un grand potentiel et de larges perspectives d’application dans l’électronique de puissance et les champs à micro-ondes RF. Grâce à diverses techniques de préparation telles que HVPE, MOCVD, méthode ammonothermique et méthode de Flux, des substrats monocristaux GaN de haute qualité peuvent être obtenus. Cependant, chaque méthode a ses avantages et ses inconvénients, et le choix de la méthode de préparation dépend des besoins d’application et des considérations économiques. Au fur et à mesure que la technologie continue de se développer et de s’améliorer, les méthodes de préparation de monocristaux GaN deviendront plus efficaces et plus économiques, favorisant ainsi son application dans divers domaines de haute technologie.

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