Nitrure de gallium

Nitrure de gallium
Général
Nom IUPAC
N CAS	25617-97-4
SMILES
InChI
Apparence	poudre jaune
Propriétés chimiques
Formule brute	GaN
Masse molaire	83,73 ± 0,001 g·mol
Propriétés physiques
T° fusion	2 500 °C
Masse volumique	6,15 g·cm, solide
Conductivité thermique	4,9 W·K·cm
Propriétés électroniques
Bande interdite	3.43eV @ 300K
Mobilité électronique	900 cm²/V.s @ 300K
Mobilité des trous	170 cm²/V.s @ 300K
Cristallographie
Réseau de Bravais	Hexagonal (W), Cubique (ZB)
Paramètres de maille	a=4.511Å (ZB), a=3.188Å (W), c=5.185Å (W)
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à large bande interdite (3,4 eV) utilisé en optoélectronique et dans les dispositifs de grande puissance ou de haute fréquence. C'est un composé binaire (groupe III/groupe V) qui possède une semiconductivité intrinsèque. Il est peu sensible aux rayonnements ionisants (comme tous les autres nitrures du groupe III), ce qui fait de lui un matériau approprié pour les panneaux solaires des satellites.

Jusqu'en 1993, les seules diodes électroluminescentes (DEL ou LED en anglais) émettant dans le bleu étaient à base de carbure de silicium, un matériau nécessitant d'être dopé pour avoir de bonnes propriétés de semiconducteur. Mais ce dopage affaiblit le pouvoir d'émission et rend ces dispositifs commercialement inexploitables.

Avec le remplacement par du nitrure de gallium plus efficace, l'équipe du japonais Shuji Nakamura employée par la Nichia company a complété la palette de couleurs à la disposition des producteurs pour couvrir tout le spectre visible, en jouant sur différents alliages à base de GaN, ce qui a rendu possible des applications comme les écrans à DEL, les diodes blanches ou encore les lasers bleus. Les diodes laser bleues sont utilisées dans la technologie des disques Blu-ray remplaçants les DVD (par exemple, ils sont utilisés dans la PlayStation 3 de Sony).

Les premières DELs au nitrure de gallium utilisaient un fin film de nitrure formé par dépôt en phase vapeur sur un saphir. Depuis, afin de s'affranchir de contraintes dues au désaccord de maille et de dilatation thermique entre le saphir et le GaN, d'autres substrats ont été utilisés (avec plus ou moins de succès) comme l'oxyde de zinc, le silicium ou le carbure de silicium.

Le potentiel commercial de systèmes fonctionnant à de hautes puissances et/ou de hautes fréquences à base de nitrure de gallium est important. On peut citer des applications comme les amplificateurs d'ondes radio travaillant dans le domaine des microondes telles que celle utilisées dans les transmissions à haut débit sans fils, ou encore les commutateurs à haute tension des réseaux électriques. On envisage même que des transistors au GaN pourraient remplacer les magnétrons dans les fours micro-ondes.

Le nitrure de gallium dopé par un élément de transition approprié comme le manganèse devient un matériau spintronique (du néologisme anglais formé à partir de "spin-based electronics", voir semiconducteur magnétique).

On a aussi réussi à produire des nanotubes de GaN pour lesquels des applications en nanoélectronique, en optoélectronique et en biochimie.

Le nitrure de gallium est très dur, mécaniquement stable et possède une capacité thermique élevée. Sous forme pure il résiste à la fissuration.

Le GaN peut être dopé par du silicium pour devenir un semiconducteur de type n, ou par du magnésium pour le type p. Cependant les atomes dopants introduisent des contraintes dans le matériau. Dans ce cas, lorsque la couche déposée atteint une certaine épaisseur, la couche de GaN se fissure à cause de ces contraintes. Il en résulte que les wafers de GaN sur saphir, ou tout autre substrat de nature différente, sont riches en défauts : de 0,1 défauts par cm² pour un cristal massif à près de 1 milliard par cm² sur un substrat comme le saphir. Ces défauts on pour conséquence de perturber le bon fonctionnement des composants réalisés sur le GaN. La solution aujourd'hui consiste à réduire les contraintes présentes dans le matériau en utilisant des couches dites "tampons" qui vont assurer une transistion "douce" entre les matériaux avec une structure cristalline différente. Ces couches tampons sont de nature différente d'une épitaxie à l'autre, mais en général, elles sont composées d'un alliage type AlGaN.

On peut aussi produire des semiconducteurs à gap variés en créant des mélanges de GaN et InN. La largeur du gap dépend du ratio d'InN dans le matériau et la tolérance aux défauts de structures est élevée.