Le besoin de dispositifs électroniques plus puissants dans la société actuelle est limité par notre capacité à produire des semi-conducteurs hautement efficaces. De dispositifs qui peuvent résister aux processus de fabrication difficiles et à haute température des appareils à haute puissance. Le nitrure de gallium (GaN) sur diamant est un matériau pour semi-conducteur prometteur de la prochaine génération. Combinés, les deux matériaux disposent d’une large bande interdite. Une bande qui permet une conductivité élevée, et de la conductivité thermique élevée du diamant. Ce qui en fait un substrat de diffusion de la chaleur supérieur.
Il y a eu auparavant des tentatives de création d’une structure GaN sur diamant en combinant les deux composants avec une forme de couche de transition ou d’adhésion. Toutefois, dans les deux cas, la couche supplémentaire interférait de manière significative avec la conductivité thermique du diamant. Ce qui annule un avantage clé de la combinaison GaN-diamant.
Le GaN sur diamant pour plus de stabilité thermique
La fusion des deux éléments sans couche intermédiaire est un moyen de contourner cette discordance. Cependant, pour créer une force de liaison suffisamment élevée, de nombreuses méthodes de liaison directe nécessitent de chauffer la structure à des températures extrêmement élevées (généralement 500 degrés Celsius) dans un processus appelé post-recuit. Ce processus provoque généralement des fissures dans un échantillon collé de matériaux différents. Avec cette méthode, il existe effectivement un décalage de la dilatation thermique. Ce qui réduit à néant toute chance pour la structure GaN-diamant de survivre aux températures extrêmement élevées.
« Dans des travaux antérieurs, nous avons utilisé le collage activé par la surface (SAB) pour fabriquer avec succès diverses interfaces avec le diamant à température ambiante. Ces interfaces présentent toutes une grande stabilité thermique et une excellente praticabilité », explique le professeur Naoteru Shigekawa, responsable de la recherche.
Liang, Shigekawa et leurs collègues de l’université de Tohoku, de l’université de Saga et d’Adamant Namiki Precision Jewel. Co., Ltd, utilisent la méthode SAB pour lier avec succès le GaN et le diamant. Ils démontrent ainsi la stabilité de la liaison même chauffée à 1 000 degrés Celsius.
La méthode SAB permet de créer des liaisons très fortes entre différents matériaux à température ambiante. Elle permet de nettoyer de manière atomique. Elle offre aussi la possibilité d’activer les surfaces de liaison pour qu’elles réagissent lorsqu’elles entrent en contact les unes avec les autres.
Un processus de recuit optimisé
Les propriétés chimiques du GaN sont complètement différentes de celles des matériaux que l’équipe de recherche a utilisés par le passé. Elle a utilisé diverses techniques pour tester la stabilité du site de liaison ou de l’hétéro-interface. Pour caractériser la contrainte résiduelle dans le GaN de l’hétérointerface, ils ont utilisé la spectroscopie micro-Raman. Ils se sont aussi servis de microscopie électronique à transmission (MET) et de spectroscopie à rayons X à dispersion d’énergie. L’objectif étant de mettre en lumière la nanostructure et le comportement atomique de l’hétérointerface. La spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS) a montré les états de liaison chimique des atomes de carbone à l’hétéro-interface. Une stabilité qui a été testée à 700 degrés Celsius dans un gaz N2 à pression ambiante.
Les résultats ont montré qu’au niveau de l’hétéro-interface, une couche intermédiaire d’environ 5,3 nm s’est formée. Il s’agissait d’un mélange de carbone amorphe et de diamant dans lequel des atomes de Ga et de N étaient répartis. En augmentant les températures de recuit, l’équipe a remarqué une diminution de l’épaisseur de la couche. La cause ? Une conversion directe du carbone amorphe en diamant. Après un recuit à 1 000 degrés, la couche est tombée à 1,5 nm. Ce qui suggère que la couche intermédiaire peut être complètement éliminée en optimisant le processus de recuit. Les chiffres relatifs à la résistance à la compression de l’hétéro-interface se sont améliorés à mesure que les températures de recuit augmentaient. Ils ne correspondaient toutefois pas à ceux des structures de GaN sur diamant formées par croissance cristalline.
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