Matériaux semi-conducteurs à grand gap III-V à base de GaN

GaN, un semi-conducteur nouveau : les semi-conducteurs sont caractérisés par leur bande interdite ou gap, qui sépare les derniers états occupés de la bande de valence et les états libres suivants dans la bande de conduction. Les électrons dans la bande de conduction et les trous dans la bande de valence ont une énergie qui dépend de leur vecteur d’onde. On repère ainsi le maximum de la bande de valence et le minimum de la bande de conduction. Lorsque le minimum de la bande de conduction possède le même vecteur d’onde que le maximum de la bande de valence, le gap est dit direct, et il est dit indirect dans le cas contraire. Cette différence est très importante pour les transitions optiques car elles s’opèrent à vecteur d’onde quasi constant : les semi-conducteurs à gap direct sont donc, d’une manière générale, plus adaptés que les autres pour les applications optoélectroniques.

Le monde des semi-conducteurs est dominé, en terme de marché, par le silicium. Ce dernier a un gap indirect de 1,11 eV. Le germanium, moins utilisé, a également un gap indirect, de 0,66 eV. Ces matériaux étant utilisés depuis longtemps, ils ont défini une valeur de référence pour le gap, de l’ordre de 1 eV. On distingue alors les semi-conducteurs petit gap qui ont une bande interdite très inférieure à 1 eV et les semi-conducteurs grand gap qui ont une bande interdite très supérieure. Par exemple, le carbure de silicium SiC est un matériau grand gap, de valeur variant suivant les polytypes autour de 3,3 eV. Il est de gap indirect. Le diamant, réseau cubique de carbone, est un dernier exemple de semi-conducteur à base d’atomes de la colonne IV du tableau périodique des éléments. Il est de gap indirect de valeur 5,5 eV. D’autres semi-conducteurs existent ou ont été réalisés à partir des éléments des colonnes III et V, ou encore  II et VI. Certains semi-conducteurs II-VI sont à petit gap alors que d’autres, comme ZnS, ZnSe, ZnMgSSe sont à grand gap. La majorité sont à gap direct et sont donc utilisés dans des dispositifs optoélectroniques. Enfin, les semi-conducteurs III-V sont presque tous à gap direct et sont les champions des dispositifs optoélectroniques. L’arseniure de gallium GaAs est le représentant le plus connu, de gap 1,414 eV. InP en est un autre, de gap 1,35 eV. Leur grande force réside dans le nombre quasi illimité d’alliages possibles entre Ga, As, Al, In et P. Cette particularité essentielle a donné aux semi-conducteurs III-V la première place pour l’optoélectronique et notamment pour les lasers semi-conducteurs. Cependant, le gap reste toujours inférieur à 2 eV environ et on ne peut pas les considérer comme des matériaux grand gap. En particulier, le domaine visible n’est pas couvert par ces semi-conducteurs III-V classiques.

Cette famille de semi-conducteurs III-V s’est agrandie par la venue...