Arséno-nitrure de gallium-indium

L'arséno-nitrure de gallium-indium est un composé chimique de l'arsenic, de l'azote, du gallium et de l'indium, de formule GaIn_xAsN_y. C'est un alliage quaternaire semi-conducteur III-V (Ga et In appartiennent à la colonne III du tableau de Mendeleïev, As et N à la colonne V). Il est utilisé en microélectronique et en opto-électronique pour la fabrication de composants, grâce à ses propriétés remarquables pour l'ingénierie de bandes.

Structure cristalline

GaInAsN a la structure blende, tout comme l'arséniure de gallium et la plupart des composés III-V^[1].

Il est possible de faire varier le paramètre de maille de GaInAsN en modifiant la concentration de l'indium et de l'azote dans l'alliage. Les atomes d'indium étant plus gros que ceux de gallium et d'arsenic, l'ajout d'indium augmente le paramètre de maille, tandis que l'ajout d'azote, de petite taille, le diminue. En faisant varier la concentration d'indium et d'azote dans l'alliage, il est possible de choisir son paramètre de maille^[2]. En particulier, certaines compositions permettent à GaInAsN de conserver le même paramètre de maille que GaAs^[3]. Cette propriété, remarquable pour un semiconducteur III-V, permet de limiter le nombre de défauts (dislocations) à l'intérieur des structures fabriquées par hétéroépitaxie, et donc d'améliorer leur efficacité^[4].

Structure de bandes

Si les propriétés électroniques de In_xGaAs ne varient que de manière monotone avec la concentration d'indium x^[5], GaIn_xAsN_y dilué en azote (y < 10 %) présente une structure de bandes fortement modifiée par l'introduction de défauts dus aux atomes d'azote en substitution dans les sites de l'arsenic, résonnant avec la bande de conduction de la matrice d'arséniure de gallium-indium^[6].

Cette interaction a plusieurs conséquences majeures :

• une interaction semblable à un anticroisement de bandes qui sépare la bande de conduction de InGaAs en deux niveaux, celui de plus faible énergie devenant la nouvelle bande de conduction de l'alliage, et fait diminuer drastiquement l'énergie de bande interdite du composé par rapport à GaAs et In_xGaAs^[7] ;
• une diminution de la mobilité des électrons en raison de cette interaction^[8] ;
• une augmentation de la masse effective des électrons^[9].

Fabrication

Plusieurs méthodes de fabrication ont été recensées pour la croissance de GaInAsN :

• l'épitaxie par jet moléculaire (MBE)^[10] ;
• l'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE)^[11] ;
• l'épitaxie en phase liquide (LPE)^[12]. L'ajout d'antimoine lors de la croissance a été rapportée comme facilitant la fabrication de matériaux ayant de bonnes propriétés opto-électroniques, permettant la fabrication de meilleurs dispositifs^[3].

Intérêt

GaInAsN dilué en azote possède des propriétés particulières pour un alliage semi-conducteur III-V, notamment un bowing très important de la largeur de bande interdite. Le paramètre de maille atomique pouvant être modifié en modifiant le rapport des concentrations de l'indium et de l'azote dans l'alliage^[2], il peut être obtenu par épitaxie sur différents matériaux semi-conducteurs de paramètre de maille identique, comme l'arséniure de gallium^[13], le phosphure d'indium^[14], et le germanium^[15] avec une largeur de bande interdite comprise entre 0,6 eV^[14] et 1,42 eV.

Ces deux propriétés permettent la fabrication de composants optoélectroniques fonctionnant à plus grande longueur d'onde que GaAs, comme des sous-cellules pour cellules photovoltaïques multi-jonctions monolithiques^[3],[4], des diodes laser^[16] et des diodes laser à cavité verticale émettant par la surface (VCSELs) fonctionnant dans l'infrarouge^[17],[18].

En raison des propriétés du matériau, il est également utilisé comme base pour la fabrication de points quantiques et émetteurs de photons uniques par implantation sélective d'hydrogène^[19].

Dernièrement, les alliages de nitrure de zinc et d'étain-germanium (ZnSn_xGe_1-xN₂), composés des nitrures ternaires ZnSnN₂ et ZnGeN₂, se sont distingués par leur abondance sur terre et les nombreux avantages qu'ils offrent par rapport aux matériaux III-V dans les domaines de la conversion de l'énergie solaire et de l'émission de lumière. Ces avantages incluent des bandes interdites ajustables, des coefficients d'absorption élevés, des profils de toxicité réduits et une compatibilité avec la technologie à base de silicium. Le développement de technologies photovoltaïques (PV) hautement efficaces et durables reste crucial pour répondre à l'évolution de nos besoins énergétiques. Dans cette optique, les composés II-IV-V₂ et les pérovskites sont récemment apparus comme des matériaux prometteurs pour faire progresser la conversion de l'énergie solaire^{[20],[21],[22],[23]}.

Notes et références

1. (en) C. Giannini, E. Carlino, L. Tapfer et F. Höhnsdorf, « Structural Properties of (GaIn)(AsN)/GaAs MQW Structures Grown by MOVPE », MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, vol. 5, n^o S1,‎ 2000, p. 259–265 (ISSN 1092-5783, DOI 10.1557/S1092578300004361, lire en ligne, consulté le 28 mai 2024)
2. Dilute Nitride Semiconductors, Elsevier, 2005 (ISBN 978-0-08-044502-1, DOI 10.1016/b978-0-08-044502-1.x5000-8, lire en ligne)
3. (en) Arto Aho, Riku Isoaho, Lauri Hytönen et Timo Aho, « Lattice‐matched four‐junction tandem solar cell including two dilute nitride bottom junctions », Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 27, n^o 4,‎ avril 2019, p. 299–305 (ISSN 1062-7995 et 1099-159X, DOI 10.1002/pip.3094, lire en ligne, consulté le 28 mai 2024)
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5. I. Vurgaftman, J. R. Meyer et L. R. Ram-Mohan, « Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys », Journal of Applied Physics, vol. 89, n^o 11,‎ 1^er juin 2001, p. 5815–5875 (ISSN 0021-8979 et 1089-7550, DOI 10.1063/1.1368156, lire en ligne, consulté le 28 mai 2024)
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