GaN sans ammoniac : la fin des méthodes coûteuses et polluantes ?

Les semi-conducteurs en nitrure de gallium (GaN) peuvent désormais être cultivés sans utiliser d’ammoniac, un produit chimique toxique nécessitant un système de détoxification sophistiqué avant d’être libéré dans l’atmosphère. Plus respectueuse de l’environnement, la nouvelle technique proposée permet également une croissance efficace et de haute qualité des cristaux à moindre coût.

Le nitrure de gallium (GaN) est un composé formé de gallium (Ga) et d’azote (N) qui agit comme un semi-conducteur. Les semi-conducteurs GaN sont largement utilisés dans les stations de base mobiles, les adaptateurs d’alimentation à charge rapide, les communications micro-ondes et millimétriques, l’imagerie, la radioastronomie, les systèmes de commutation de puissance et les systèmes radar, y compris militaires, en raison de leur capacité à gérer des tensions et des courants élevés.

La méthode MOCVD et ses limitations

La technique la plus couramment utilisée pour la production commerciale de films GaN est la déposition chimique en phase vapeur par organométalliques (MOCVD), qui utilise du gaz ammoniac (NH3) comme source d’azote ajouté au gallium. Cependant, le taux de décomposition de l’ammoniac dans ce processus, connu sous le nom d’efficacité de décomposition, est très faible.

« En conséquence, une grande consommation d’ammoniac est nécessaire », a indiqué Arun Dhasiyan, chercheur principal. « L’ammoniac est un gaz très toxique et corrosif s’il est inhalé, pouvant causer de graves dommages aux yeux, à la peau et au système respiratoire. En raison de sa toxicité, une grande partie de l’ammoniac doit être détoxiquée et éliminée sans être utilisée, nécessitant beaucoup d’énergie. Cela représente une grande partie, jusqu’à la moitié, du coût total de production. »

Une nouvelle méthode révolutionnaire

Pour produire de l’azote activé, le groupe dirigé par les professeurs Masaru Hori et Kenji Ishikawa, avec le Dr Dhasiyan du département cLPS de l’Université de Nagoya, a activé l’azote, un gaz facilement disponible dans l’atmosphère, en appliquant une puissance très haute fréquence (100 MHz) à l’une des électrodes.

Grâce à cette technique brevetée, l’équipe a développé un matériau GaN de haute qualité et à faible coût pour les dispositifs semi-conducteurs.

« Notre méthode, connue sous le nom de méthode REMOCVD, résout trois problèmes de la croissance du GaN », a expliqué le Dr Dhasiyan. « Elle permet la croissance de semi-conducteurs GaN à des températures plus basses (environ 800°C contre plus de 1150°C) ; elle utilise du gaz azote et hydrogène au lieu de gaz ammoniac, économisant ainsi les matières premières et réduisant le coût de production ; et elle élimine également l’étape d’extraction de l’azote de l’ammoniac, rendant le processus plus rapide à des températures plus basses. »

Vers une industrialisation simplifiée

Leur nouvelle méthode de croissance cristalline pourrait remplacer la méthode conventionnelle, car elle est facile à industrialiser et produit des semi-conducteurs GaN avec moins d’impuretés. L’équipe prévoit que le développement de cette nouvelle technologie améliorera les dispositifs semi-conducteurs GaN à faible consommation d’énergie, aboutissant à des dispositifs de puissance plus efficaces.

Actuellement, des équipements industriels pour des substrats de grand diamètre de 150 à 300 mm sont nécessaires pour les applications aux dispositifs de puissance et aux LED à faible coût.

Le groupe a installé un système REMOCVD de 300 mm de diamètre pour tester la production à grande échelle. Ils sont convaincus que le taux de croissance élevé et la qualité cristalline du GaN utilisant REMOCVD remplaceront bientôt la méthode MOCVD.

« Au cLPS, nous avons cultivé des couches de GaN, de nitrure d’aluminium, de nitrure d’indium et de nitrure d’aluminium et d’indium en utilisant la méthode REMOCVD et avons constaté qu’elle est très efficace pour cultiver tous ces matériaux semi-conducteurs couramment utilisés à des températures beaucoup plus basses que celles de la méthode MOCVD sans utiliser de gaz ammoniac », a déclaré le Dr Dhasiyan. « Le plus excitant est que la qualité cristalline et la vitesse de croissance sont proches de celles de la MOCVD, nous pouvons donc bénéficier du même niveau de qualité avec un impact environnemental moindre. »

Légende illustration : Grâce au plasma, les scientifiques ont fabriqué des semi-conducteurs en nitrure de gallium à moindre coût et de meilleure qualité, ce qui permet de charger les appareils plus rapidement et plus efficacement. Crédit : Reiko Matsushita

Article : « Epitaxial growth of high-quality GaN with a high growth rate at low temperatures by radical-enhanced metalorganic chemical vapor deposition » – DOI: 10.1038/s41598-024-61501-9