Les semi-conducteurs à ultra-large bande interdite, tels que le β-Ga₂O₃, sont des candidats prometteurs pour les applications en électronique de puissance et en optoélectronique, grâce à leur large énergie de bande interdite (4,6-4,9 eV), leur champ électrique de claquage élevé (~8 MV/cm), leur photodétection UV à large bande et la disponibilité de substrats de haute qualité. Au-delà du β-Ga₂O₃, thermodynamiquement stable, les polymorphes métastables (α, γ, δ, κ) peuvent offrir des fonctionnalités supplémentaires, notamment la piézoélectricité (phase κ).

Cette thèse explore deux approches chimiques, l’une en phase vapeur et l’autre en solution aqueuse, pour la croissance de films de Ga₂O₃ sur des substrats de saphir plan c. Cette approche comparative permet de mieux cerner les atouts et les limites de chaque technique pour la synthèse contrôlée du Ga₂O₃.

La première approche est la MOCVD par injection liquide pulsée (PLI-MOCVD) qui, contrairement aux systèmes MOCVD conventionnels, permet un contrôle précis de l’apport et du dosage des précurseurs, améliorant le rendement chimique et réduisant les pertes de gallium, un enjeu important en matière de durabilité. Les couches minces obtenues présentent une morphologie granulaire avec une faible rugosité RMS d’environ 2 nm et une énergie de bande interdite optique d’environ 4,8 eV. La diminution de la température de croissance et du débit d’O₂ fait passer les films du β-Ga₂O₃ pur à un mélange β/κ-Ga₂O₃, tandis que la réduction de la pression dans la chambre améliore la cristallinité, avec une largeur à mi-hauteur (FWHM) de la courbe de rocking de la réflexion (-201) descendant jusqu’à 0,11°. L’augmentation de la concentration en précurseur accroît la vitesse de croissance, mais entraîne l’apparition d’une faible fraction de grains désorientés. Enfin, un rapport entre courant photo-induit et courant d’obscurité d’environ 10³ sous illumination à 250 nm met en évidence le potentiel des couches minces de β-Ga₂O₃ élaborées par PLI-MOCVD pour la détection aveugle au rayonnement solaire.

La seconde approche est le dépôt en bain chimique (CBD) suivi d’un recuit thermique, qui offre une voie peu coûteuse et modulable pour obtenir du Ga₂O₃ cristallin, bien que le lien entre les paramètres de croissance et les propriétés finales reste mal compris. Les structures déposées sont des microbâtonnets d'α-GaOOH, obtenus avec un volume de dépôt élevé en utilisant du Ga(NO₃)₃ à une concentration de 0,050 M et du NH₄OH comme base pour élever le pH jusqu’à 3,3. Deux transitions morphologiques se produisent jusqu’à un pH de 4,6 : des microbâtonnets hiérarchiques vers des microbâtonnets prismatiques, allongés selon l’axe b, puis vers des faisceaux de bâtonnets prismatiques à rapport d’aspect élevé. Le recuit réalisé sous atmosphère d’O₂ convertit avec succès l'α-GaOOH en β-Ga₂O₃. Le frittage débute à 1000 °C et, au-delà de cette température, les morphologies se transforment en microplaquettes aux caractéristiques variées. La présence d’autres phases à base de gallium est observée par DRX et par spectroscopie Raman.

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