Nitrure de Gallium

Vers une production de haute qualité à l’échelle industrielle

drapeau européen Ce projet a reçu un financement du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Sklodowska-Curie n° 101033102.

Quel est l'intérêt du Nitrure de Gallium (GaN)?

Le nitrure de gallium et ses alliages (Ga,In)N et (Ga, Al)N sont des matériaux polyvalents couramment utilisés pour les applications optoélectroniques telles que les diodes électroluminescentes (LEDs) de haute luminosité et des diodes laser. En effet, leur longueur d’onde d’émission couvre une large gamme spectrale allant de l’ultraviolet UV-C, en passant par le visible, jusqu’ au proche infrarouge (voir figure ci-dessous).1 , 2 , 3 Dans le contexte actuel de pandémie, l’éclairage dans l’ UV-C par des LEDs réalisées à partir de (Ga, Al)N s’est même avéré très efficace  comme source de stérilisation pour inactiver le virus SRAS-CoV-2.4 En raison de sa large structure de bande ainsi que des valeurs élevées de vitesse des électrons, de tension de claquage et de conductivité thermique, le GaN est également très attractif pour l’électronique haute fréquence et l’électronique de puissance,5 comme les chargeurs de smartphone pour l’utilisation de la 5G.6 Afin de fabriquer des composants électroniques basés sur la technologie GaN plus efficaces et de réduire leur coût en termes de consommation énergétique, la production à plus grande échelle de substrats de GaN de qualité cristalline accrue est primordiale.

Énergie de structure de bande  à température ambiante en fonction de la constante de réseau pour le GaN et ses alliages (Ga, In)N et (Ga, Al)N (extrait de EF Schubert, Light-Emitting Diodes. Cambridge University Press, 2006).

La croissance du GaN

La température de fusion élevée du GaN (supérieure à 2200°C) et la nécessité d’une pression d’azote supérieure à 6 GPa pour permettre une fusion congruente ont entravé la production de substrats de GaN natif.7 Cependant, la croissance du GaN sur des substrats de matériau différent (hétéroépitaxie) produit généralement des cristaux avec plus de défauts structuraux (dislocations, fissures, pores) en raison des effets délétères liés à la différence de paramètres de réseaux  cristallins et de dilatation thermique inhérents à la nature de chaque matériau. Très récemment, sous l’impulsion de la demande en diodes laser du marché, des substrats de GaN massif présentant une qualité structurelle et des dimensions pertinentes pour l’industrie sont apparus. Les cristaux de GaN massif (voir figure ci-dessous) sont actuellement principalement fabriqués par trois techniques de croissance :

  • l’épitaxie en phase vapeur (VPE) (Halide-VPE, Oxide-VPE et VPE sans halogène),
  • la croissance par technologie de flux de sodium (Na-flux),
  • la croissance ammonothermique.

Comme ces trois techniques fonctionnent à des pressions et températures inférieures aux conditions extrêmes mentionnées plus haut, des efforts continus sont déployés pour développer des processus de croissance cristalline qui permettent d’obtenir des substrats de GaN de plus grande taille et une densité de dislocations aussi faible que possible.8 Actuellement, le diamètre des substrats généralement disponibles sur le marché n’est que de 2 pouces et la valeur la plus basse est de densité de dislocations est de 10²/cm² alors que des wafers de 6 pouces en carbure de silicium sont disponibles avec une densite de dislocation inférieure à 5/cm² .


Image de gauche : cristal de GaN massif de 1 pouce obtenu par HVPE (avec l’aimable autorisation de T. Sochacki, Institut de Physique à Haute Pression, Académie Polonaise des Sciences (IHPP PAS)). A droite : susbstrat poli de GaN de 2 pouces de diamètre produit par méthode ammonothermique (avec l’aimable autorisation de R. Kucharski, IHPP PAS).

Évolution du marché

Le marché du nitrure de gallium affiche une croissance régulière depuis son premier dispositif en 1993. Le développement du GaN est en lien direct avec la reconnaissance par la Commission européenne des technologies de fabrication avancées comme un élément clé de compétitivité industrielle, de croissance et de création d’emplois en Europe.

Le marché de la technologie GaN pour l’électronique de puissance prospère après son adoption dans la fabrication de chargeurs rapides pour les téléphones portables où la réduction du temps de charge est devenue cruciale pour le développement de la 5G et la demande d’extension de la durée de vie des batteries. Début 2020, les fabricants avaient opté pour l’utilisation de composants GaN dans le développement de chargeurs rapides et compacts qui requièrent une haute densité de puissance, une grande efficacité et un petit facteur de forme.

Selon un rapport du bureau d’études de marché Yole Development publié en mai 2020, le marché total du GaN dans l’ électronique radiofréquence devrait atteindre plus de 2 milliards de dollars d’ici 2025, avec un taux de croissance annuel composé (TCAC) de 12 %.9 En outre, même si le conflit entre les États-Unis et la Chine concernant les sanctions à l’encontre de Huawei et l’épidémie de COVID-19 ont modifié le paysage industriel des semi-conducteurs, le déploiement du GaN dans les télécommunications continue de croître à long terme.

En janvier 2021, Fortune Business Insights10 estimait que le COVID-19 a impacté de manière unique et positive la demande de dispositifs en GaN dans toutes les régions du globe. Le marché mondial des dispositifs GaN doit afficher une croissance de 1,03 % en 2020 par rapport à la croissance annuelle moyenne au cours de la période 2016-2019. Le marché devrait passer de 21,18 milliards de dollars US en 2020 à 28,40 milliards de dollars US en 2027, avec un TCAC de 4,28 % sur la période 2020-2027.

Vers une production de haute qualité

L’utilisation généralisée du GaN est limitée par le manque de substrats massifs de grand diamètre et avec des densités de défauts moindres. Même les plus petits défauts cristallins ont une incidence délétère sur la luminosité, la puissance de sortie et la durée de vie des dispositifs électroniques. Malgré les efforts continus des producteurs de substrats de GaN pour surmonter l’apparition d’un nombre élevé de défauts dans les cristaux, le problème persiste principalement pour deux raisons :

  1. Le processus de croissance des cristaux de GaN est difficile à contrôler en temps réel. La plus petite instabilité dans le processus de croissance (comme un écart de température de 1-2°C) peut engendrer des dislocations (voir la figure ci-dessous), des pores et des fissures pendant la formation du cristal.
  2. L’identification des défauts a lieu après une longue procédure de transformation du cristal en wafers et de polissage de ces derniers. Cela signifie qu’initialement, les wafers présentant des zones défectueuses sont aussi préparés, puis rejetés par le contrôle qualité en aval. L’industrie a besoin d’un outil de contrôle de qualité non destructif qui pourrait indiquer les régions de cristaux trop imparfaits afin de réduire les coûts de fabrication.

Scientific Visual travaille à la création d’un tel système d’inspection en amont pour visualiser les imperfections dans les cristaux de GaN bruts. Nous publierons les actualités du projet (en anglais) sur cette page. Notre équipe d’experts se propose de tester vos échantillons en appliquant notre technologie d’inspection à votre production au stade initial. Vous pouvez nous contacter dès que possible à l’adresse welcome@scientificvisual.ch.


Surface d’un wafer de GaN après une attaque chimique permettant de révéler les défauts (avec l’aimable autorisation de J.L. Weyher, IHPP PAS).

References
  1. Andreev BA, Kudryavtsev KE, Yablonskiy AN, Lobanov DN, Bushuykin PA, Krasilnikova LV, et al. Towards the indium nitride laser: obtaining infrared stimulated emission from planar monocrystalline InN structures. Sci Rep. 2018 Dec;8(1):9454.

  2. Ponce FA, Bour DP. Nitride-based semiconductors for blue and green light-emitting devices. Nature. 1997 Mar;386(6623):351–9.

  3. Kneissl M, Seong T-Y, Han J, Amano H. The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies. Nat Photonics. 2019 Apr;13(4):233–44.

  4. Liu S, Luo W, Li D, Yuan Y, Tong W, Kang J, et al. Sec‐Eliminating the SARS‐CoV‐2 by AlGaN Based High Power Deep Ultraviolet Light Source. Adv Funct Mater. 2021 Feb;31(7):2008452.

  5. Baron N. Power GaN. Patent lanscape. Yole Developpement; 2019 Nov. Available from: https://www.knowmade.com/downloads/power-gan-patent-landscape/

  6. Kareta N. GaN takes over mobile device charging. Available from: https://www.power-and-beyond.com/gan-takes-over-mobile-device-charging-a-939854/

  7. Utsumi W, Saitoh H, Kaneko H, Watanuki T, Aoki K, Shimomura O. Congruent melting of gallium nitride at 6 GPa and its application to single-crystal growth. Nat Mater. 2003 Nov;2(11):735–8.

  8. Kucharski R, Sochacki T, Lucznik B, Bockowski M. Growth of bulk GaN crystals. J Appl Phys. 2020 Aug 7;128(5):050902.

  9. GaN RF Market: Applications, Players, Technology and Substrates 2020. i-Micronews.com. 2020. Available from: https://www.i-micronews.com/products/gan-rf-market-applications-players-technology-and-substrates-2020/?utm_source=PR&utm_medium=email&utm_campaign=PR_RF_GaN-MarketUpdate_YOLE_May2020

  10. Gallium Nitride (GaN) Device Market Size, Share & Forecast, 2027. Available from: https://www.fortunebusinessinsights.com/gallium-nitride-gan-devices-market-103367

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