L’activité « oxydes semiconducteurs » est centrée sur l’oxyde de zinc, ZnO, et ses alliages. Comme la plupart des autres filières de semiconducteurs à large bande interdite, ZnO a d’abord été étudié dans les années 70 avant d’être délaissé en microélectronique1. L’étude et la croissance de ce matériau reviennent en force depuis 2-3 ans en raison de ses propriétés fondamentales attractives, des progrès techniques réalisés en matière de synthèse et d’épitaxie de films minces et des premiers résultats indiquant la possibilité de convertir la conductivité de ce semiconducteur du type n vers le type p.
Les domaines d’intérêt pour les alliages à base
de ZnO et les hétérostructures associées sont l’optoélectronique
et l’électronique de spin.
Dans le cas de l’optoélectronique, ZnO est vu comme un concurrent
direct de GaN, matériau avec lequel il partage de nombreuses propriétés
tant structurales qu’électroniques. Dans ce domaine, l’atout
fondamental de ZnO tient en sa très grande énergie de liaison
excitonique (60 meV) qui permet d’envisager des dispositifs aux propriétés
d’émissions améliorées et/ou exploitant des effets
nouveaux (par exemple, microcavités optiques opérant dans le
mode de couplage fort).
Dans le cas de l’électronique de spin, une phase ferromagnétique
est attendue dans les alliages magnétiques à base de ZnO. Dès
lors, des dispositifs exploitant non plus la charge de l’électron
mais son spin sont envisageables. Des premiers dispositifs sont déjà
commercialisés, tels les MRAM (magnetic random access memory), qui
exploitent le phénomène de la magnéto-résistance
géante dans les hétérostructures tunnel métalliques.
Ici, on cherche à élargir les propriétés des transistors
à base de semiconducteurs en apportant un degré de liberté
supplémentaire par le spin de l’électron.
Au CRHEA, la technique de croissance de ZnO est l’épitaxie sous
jets moléculaires assistée par plasma (la source d’oxygène
atomique est un plasma rf de O2). Les études actuelles portent
sur l’optimisation des conditions de croissance de ZnO par cette technique,
la croissance de films magnétiques ZnCoO et le dopage de type p par
incorporation d’éléments V (N, P et As) activés
par plasma.
(1) Son utilisation s’est en revanche accrue dans certains domaines d’applications tels les transducteurs piézo-électriques, les guides d’onde optiques, les media accousto-optiques, les senseurs de gaz conducteurs, les électrodes transparentes (cellules solaires), les varistors. Il est produit chaque année des dizaines de milliers de tonnes de poudres de ZnO ! Elles sont utilisées dans l’industrie du pneu (~36 %), dans celle des céramiques (~26 %), dans l’industrie chimique (fabrication de stéarates, phosphates..etc) (~20 %), en trace dans l’alimentation animale (~12 %), dans les peintures (~3 %; 50 % en 1961!). Les ~3 % restant sont employés dans le domaines de l’électronique (ferrites, varistors), pour le bout des allumettes, l’industrie pharmaceutique (propriétés fongicides de ZnO, filtres solaires, etc.).
