Elaboration, cristallogénèse et caractérisations physico-chimiques des nitrures des éléments de la colonne IIIA et en particulier de GaN.
Résumé
Gallium nitride is wide band gap semi-conductor that presents a considerable interest for many applications in opto and microelectronics. However, the development of such devices is very limited due to the lack of suitable substrates. Elaboration of GaN bulk crystals becomes then a worldwide challenge and constitutes the topic of this study. In this aim, we have transposed two current processes of crystal growth: on one hand the hydrothermal crystal growth of α-quartz (using NH3 as solvent) and on the other hand, the high-pressure crystal growth of diamond (using melt LiNH2 as flux). In both cases, we have used a more ionic nutrient than GaN in order to facilitate the dissolution step. Then we have performed the synthesis of the mixed nitride Li3GaN2 through a solvothermal way. For the first approach, XPS and AES analysis have shown the feasibility for the transport and the formation of the GaN deposit through a ammonothermal route, on various substrates at moderate pressures and temperatures via a three-steps mechanism: solubilization of Li3GaN2 and formation of the GaN − 3 2 species, transport of this entity to the substrate and precipitation of GaN on this one. In the case of the second process, we have studied the nucleation of GaN, bringing out, through X-ray diffraction, the antagonistic influences of pressure and temperature and through Castaing microprobe and SEM the morphology of the precipitated micrometric grains of GaN.
Le nitrure de gallium est un semi-conducteur à large gap qui présente un intérêt considérable pour de nombreuses applications en opto et microélectronique. Cependant le développement de tels dispositifs est très limité du fait du manque de substrats adaptés pour leur réalisation. L'élaboration de monocristaux de GaN est donc devenue un enjeu mondial et constitue le cadre de cette étude. Nous avons transposé dans ce but deux procédés de cristallogenèse existants : d'une part la cristallogenèse hydrothermale du quartz-α (le solvant choisi étant NH3) et d'autre part la cristallogenèse du diamant à haute pression (le solvant choisi étant LiNH2 fondu). Dans les deux cas nous avons utilisé un corps mère plus ionique que GaN afin de faciliter l'étape de dissolution : nous avons alors élaboré le nitrure mixte Li3GaN2 par voie solvothermale. Dans le cadre de la première approche, des études par XPS et AES ont montré la faisabilité du transport et du dépôt de GaN par la voie ammonothermale sur divers substrats à températures et pressions modérées via un mécanisme en trois étapes : solubilisation de Li3GaN2 et formation de l'espèce GaN − 3 2 , transport de cette entité jusqu'au substrat et précipitation de GaN sur celui-ci. Dans le cas du deuxième procédé, nous avons étudié la nucléation de GaN, en mettant en évidence, par diffraction de rayons X, les influences antagonistes de la pression et de la température et par microscopie électronique et microsonde de Castaing la morphologie des grains micrométriques de GaN précipités.