Qu’est-ce que le nitrure de gallium ?
Le nitrure de gallium (en anglais : Gallium nitride) est une poudre gris clair.
Sa formule chimique est GaN, un composé 1:1 de gallium et d’azote, avec un poids moléculaire de 83,73 et un numéro CAS de 25617-97-4. Il est également connu sous le nom de “semi-conducteur à large bande interdite” en raison de la large plage d’énergie de sa structure de bande.
Il est principalement utilisé comme matériau pour les diodes électroluminescentes bleues. Ces dernières années, l’on s’attend également à ce qu’il soit utilisé dans les semi-conducteurs de puissance et les radars. En raison de ses performances élevées, il attire l’attention en tant que “semi-conducteur de la prochaine génération” pour remplacer le silicium.
Utilisations du nitrure de gallium
Le nitrure de gallium a traditionnellement été largement utilisé comme matériau pour les LED bleues et les diodes laser. Actuellement, on l’appelle semi-conducteur à large bande interdite en raison de sa bande interdite élevée de 3,4, comparée à la bande interdite du silicium de 1,1.
Le nitrure de gallium se caractérise par une vitesse de dérive à saturation élevée et un champ de claquage important. Il permet d’obtenir une tension de claquage élevée, de faibles pertes et des vitesses de commutation élevées. En remplaçant les diodes et les transistors en silicium par des dispositifs en Nitrure de gallium, il est possible de réduire les pertes de puissance, la quantité de chaleur générée et la taille des dispositifs eux-mêmes.
Il y a également une demande croissante pour les HEMT GaN (transistors à haute mobilité électronique) pour les applications des stations de base de communication 5G.
Propriétés du nitrure de gallium
Le nitrure de gallium a un point de fusion de 800°C, un point d’ébullition de plus de 1 600°C et une densité de 6,1 g/cm3. Il est chimiquement très stable et insoluble dans les acides et bases courants tels que l’acide chlorhydrique, l’acide sulfurique et l’acide nitrique. Il est en revanche soluble dans les alcalis forts si exposé aux rayons ultraviolets.
Les principales caractéristiques du nitrure de gallium sont les suivantes :
- Grande conductivité thermique et excellente dissipation de la chaleur.
- Capacité de commutation rapide et de fonctionnement à haute température.
- Vitesse élevée des électrons à saturation.
- Tension de claquage élevée et excellente durabilité.
Structure du nitrure de gallium
La structure cristalline du nitrure de gallium présente une structure tétraédrique de type wurtzite, avec le groupe spatial C6v4-P63mc et les constantes de réseau a = 3,19 Å et c = 5,19 Å. En cristaux purs, ils peuvent être déposés sur des couches minces de saphir ou de carbure de silicium avec différentes constantes de réseau.
Il peut être dopé au silicium ou à l’oxygène (type n) et au magnésium (type p). Toutefois, les atomes de Si et de Mg modifient le mode de croissance des cristaux de GaN, qui deviennent cassants sous l’effet des contraintes de traction.
Autres informations sur le nitrure de gallium
1. Comment le nitrure de gallium est produit
Les cristaux de nitrure de gallium peuvent être cultivés à partir de fondus de Na/Ga maintenus à 100°C et à une pression d’azote de 750 bars. Ils peuvent également être synthétisés en injectant du gaz ammoniac dans du gallium fondu à 900-980°C à la pression ambiante.
2Ga + 2NH3 → 2GaN + 3H2
Ga2O3 + 2NH3 → 2GaN + 3H2O
En déposant une couche tampon à basse température, il est possible d’obtenir du nitrure de gallium hautement cristalline, ce qui a permis de découvrir le GaN de type p et les DEL bleues/UV à jonction pn à partir de ce nitrure de gallium de haute qualité.
2. Informations juridiques
Aucune des principales lois et réglementations ne s’applique au nitrure de gallium.
Toutefois, la poussière de nitrure de gallium est irritante pour la peau, les yeux et les poumons et doit être manipulée avec précaution.
3. Précautions de manipulation et de stockage
Les précautions de manipulation et de stockage sont les suivantes :
- Conserver le récipient bien fermé et le stocker dans un endroit sec, frais et sombre.
- Utiliser uniquement à l’extérieur ou dans des zones bien ventilées.
- Éviter l’humidité, car le contact avec l’eau ou l’humidité produit du gaz ammoniac.
- Éviter le contact avec des agents oxydants puissants qui produisent des oxydes de gallium et des oxydes d’azote nocifs.
- Porter des gants de protection, des lunettes de protection, des vêtements de protection et des masques de protection pendant l’utilisation.
- Veiller à ne pas inhaler les poussières.
- Se laver soigneusement les mains après manipulation.
- En cas de contact avec la peau, rincer immédiatement à l’eau.
- En cas de contact avec les yeux, rincer prudemment avec de l’eau pendant plusieurs minutes.