Des matériaux pour une électronique dédiée aux environnements difficiles
Ces détecteurs et dispositifs doivent souvent fonctionner à des températures élevées, sous de forts champs électriques ou dans des environnements très corrosifs. Le projet MORGAN (Materials for robust gallium nitride), financé par l'UE, a étudié comment utiliser des structures hétérogènes de diamant et de nitrure de gallium (GaN) afin de générer les meilleurs matériaux pour résister à de telles conditions. Les partenaires du projet ont mis au point des substrats composites innovants à base de diamant, et mené à bien la première démonstration européenne de galettes de 2 pouces. Ils ont étudié la croissance directe du GaN sur du diamant monocristallin ou polycristallin. Pour ces deux types de diamant, ils ont réussi le confinement en 2D d'un gaz d'électrons. L'équipe du projet MORGAN a mis au point la croissance du GaN sur divers substrats comme le saphir, le carbure de silicium, le silicium et des composites, employant des couches conformes et des méthodes de nucléation spécifiques ou des intercouches, pour gérer les discordances résultant du réseau cristallin et de l'expansion thermique. Le projet a effectué la démonstration du premier transistor HEMT (à haute mobilité des électrons), obtenu par croissance directe d'une hétérostructure de GaN sur du diamant monocristallin. Il a fonctionné dans la plage des micro-ondes, avec des fréquences de coupure dans les 40 GHz. Les scientifiques ont aussi obtenu la croissance de HEMT en GaN et nitrure d'aluminium-indium sur des substrats composites à base de diamant. Ils ont également réalisé des capteurs électrochimiques et pour des pressions et températures élevées, avec le packaging associé. Les chercheurs ont effectué la démonstration de capteurs fonctionnant jusqu'à 80 bars et 450 degrés Celsius, et de capteurs électrochimiques avec des délais de réaction très courts. Les chercheurs de MORGAN ont mis au point un processus de packaging très fiable, utilisant des céramiques et des connections en argent, qui a supporté des cycles de température jusqu'à 650 degrés Celsius. Ils ont aussi démontré des échangeurs de chaleur 3D efficaces en cuivre, réalisés par une technique de type jet d'encre. Le projet a diffusé ses résultats via 27 articles et plus de 175 présentations lors de rencontres majeures. En associant le diamant et le nitrure de gallium, les chercheurs du projet MORGAN ont montré qu'ils peuvent conduire aux matériaux et dispositifs fonctionnant au mieux dans des environnements très difficiles, particulièrement avec des températures élevées et de forts champs électriques.
Mots‑clés
Dispositifs électroniques, capteurs, MORGAN, nitrure de gallium, diamant