Nitrure de gallium

Le nitrure de gallium (GaN) est un semi-conducteur à large bande (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.

[modifier] Historique de son utilisation

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^[1] employée par la Nichia company^[2] a complété la palette de couleurs à la disposition des producteurs et 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 des DVDs (par exemple, ils sont utilisés dans la PlayStation 3 de Sony).

Les premières DEL au nitrure de gallium utilisaient un fin film de nitrure formé par dépôt en phase vapeur sur un saphir. Depuis, d'autres substrats ont été utilisés comme l'oxyde de zinc 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.

[modifier] Propriétés

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 a une capacité thermique élevée. Sous forme pure il résiste à la fissuration et peut être déposé en film sur du saphir. GaN peut être dopé par du silicium pour devenir un semiconducteur de type n. Cependant les atomes de silicium changent le mode de cristallisation de GaN introduisant une contrainte dans le matériau. GaN en devient cassant. En fait les cristaux de GaN sont riches en défauts : de 0,1 à 1 milliard par cm².

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 au défauts de structures est élevée.