Нитрид галлия

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Нитрид галлия
Изображение молекулярной модели
Элементарная ячейка кристалла GaN типа вюрцита.
 Ga      N
Общие
Систематическое
наименование		 Нитрид галлия
Традиционные названия азотистый галлий, мононитрид галлия, нитрид галлия(III)
Хим. формулаGaN
Рац. формула GaN
Физические свойства
Состояние жёлтый порошок
Молярная масса83,73 г/моль
Плотность6,15 г/см³
Термические свойства
Температура
 • плавления>2500[1]
Теплопроводность130 Вт/(м·K)
Химические свойства
Растворимость
 • в воде Взаимодействует
Оптические свойства
Показатель преломления2,29
Структура
Координационная геометрия тетраэдральная, пространственная группа C6v4-P63mc
Кристаллическая структура

типа вюрцита,

постоянные решётки:
a = 0,319 нм, b = 0,519 нм[2]
Классификация
Рег. номер CAS25617-97-4
PubChem117559
Рег. номер EINECS247-129-0
SMILES
 
InChI
 
RTECSLW9640000
ChemSpider105057
Безопасность
Токсичность Нетоксичен
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Логотип Викисклада Медиафайлы на Викискладе

Нитри́д га́ллия — бинарное неорганическое химическое соединение галлия и азота. Химическая формула GaN. При обычных условиях очень твёрдое вещество с кристаллической структурой типа вюрцита. Прямозонный полупроводник с широкой запрещённой зоной — 3,4 эВ (при 300 K).

Используется в качестве полупроводникового материала для изготовления оптоэлектронных приборов ультрафиолетового диапазона. С 1990 года начал широко использоваться в светодиодах, а также в мощных и высокочастотных полупроводниковых приборах.

Физические свойства

При нормальных условиях — бесцветный прозрачный кристалл. Кристаллизуется в структуре типа вюрцита, также возможна кристаллизация метастабильной фазы со структурой сфалерита (цинковой обманки). Тугоплавок и твёрд. В чистом виде довольно прочный. Обладает высокой теплопроводностью и теплоёмкостью.[3]

Является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 3.39 эВ при 300 K. В чистом виде может быть выращен в виде монокристаллических тонких плёнок на подложках из сапфира или карбида кремния, несмотря на то, что их постоянные решёток различны[3]. При легировании кремнием, либо кислородом приобретает электронный тип проводимости. При легировании магнием становится полупроводником с дырочным типом проводимости[4][5]. Но атомы кремния и магния, внедряясь в кристаллическую решётку GaN искажают её, что вызывает механическое растяжение кристаллической решётки и придаёт монокристаллам хрупкость[6] — плёнки нитрида галлия, как правило, имеют высокую поверхностную концентрацию дислокаций (от 100 млн до 10 млрд на см2)[7].

Синтез

Кристаллы нитрида галлия выращивают прямым синтезом из элементов и при давлении 100 атм в атмосфере азота и температуре 750 °C (повышенное давления газовой среды необходимо для осуществления реакции галлия и азота при относительно невысоких температурах; в условиях низкого давления галлий не вступает в реакцию с азотом ниже 1000 °C):

.

Порошок нитрида галлия можно также получить из химически более активных веществ:

,
.

Кристаллический нитрид галлия высокого качества может быть получен при низкой температуре методом осаждения из парогазовой фазы на AlN — буферном слое[8]. Получение кристаллов нитрида галлия высокого качества позволило изучить проводимость p-типа данного соединения[5].

Применение

См. также: Электронная промышленность

Широко используется для создания светодиодов, полупроводниковых лазеров, сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов.[9]

Благодаря реализации p-n-перехода и легирования переходного слоя индием, удалось создать недорогие и высокоэффективные синие и УФ светодиоды[5], эффективно излучающие при комнатной температуре[10] (что необходимо в том числе для лазерного излучения)[11], это привело к коммерциализации высокопроизводительных синих светодиодов и долгосрочной жизни фиолетово-лазерных диодов, а также дало развитие устройств на основе нитридов, таких как детекторы УФ и высокоскоростных полевых транзисторов. Создание недорогих и высокоэффективных синих светодиодов из InGaN, обладающих высокой яркостью излучения, было последним в разработке светодиодов основных цветов и это позволило создать полноцветные светодиодные экраны[12]. Кроме того, покрытие синего светодиода люминофором, переизлучающим часть синего излучения в зелёно-красной области, позволило создать белые светодиоды, широко применяющиеся в устройствах освещения, различных фонариках, лампах и светильниках различного назначения. Нитриды (полупроводники) третьей группы признаны одними из самых перспективных материалов для изготовления оптических приборов в видимой коротковолновой и УФ-области.

В 1993 году были получены первые экспериментальные полевые транзисторы из нитрида галлия[13]. Сейчас эта область активно развивается. Сейчас нитрид галлия является перспективным материалом для создания высокочастотных, теплостойких и мощных полупроводниковых приборов[14]. Большая ширина запрещённой зоны означает, что работоспособность транзисторов из нитрида галлия сохраняется при более высоких температурах, по сравнению с кремниевыми транзисторами[15]. Из-за того, что транзисторы из нитрида галлия могут сохранять работоспособность при более высоких температурах и напряжениях, чем транзисторы из арсенида галлия, этот материал становится всё более привлекательным для создания приборов, применяемых в СВЧ усилителях мощности. Важными преимуществами транзисторов на основе этого полупроводника являются быстродействие в сравнении с изделиями, созданными по другим технологиям – MOSFET и IGBT, а также возможность работы при сильном напряжении и высокая надежность[16]. Потенциальные рынки для высокомощных и высокочастотных приборов на основе GaN включают в себя СВЧ (радиочастотные усилители мощности) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей[17].

Перспективным направлением использованием нитрида галлия является военная электроника, в частности, твердотельные приёмопередающие модули активной фазированной антенной решётки (АФАР) на основе GaN[18]. В Европе лидером в разработке и применении в АФАР технологии приёмопередающих модулей (ППМ) на основе GaN является компания Airbus Defence and Space[19][20], разработавшая и предлагающая ВМС ряда стран новую корабельную РЛС TRS-4D.

Имеет повышенную устойчивость к ионизирующему излучению (также, как и другие полупроводниковые материалы — нитриды III группы), что перспективно для создания длительно работающих солнечных батарей космических аппаратов.

Нитрид галлия является одним из самых востребованных и перспективных материалов современной электроники. Развитие технологий на основе этого полупроводника имеет стратегическое значение для таких отраслей, как телекоммуникации, автомобильная промышленность, промышленная автоматика и энергетика. По прогнозам ведущих аналитиков отрасли, среднегодовой темп роста мирового рынка силовой электроники на нитриде галлия до 2024 года составит 85 %.[21]

В качестве подложки для нитрида галлия в полупроводниковых приборах используется сапфир, карбид кремния, а также алмаз.[9]

Безопасность

Нитрид галлия является нетоксичным веществом[22], но его пыль вызывает раздражение кожи, глаз и лёгких. Источниками нитрида галлия могут быть выбросы промышленных предприятий.

См. также

Ссылки

Примечания

  1. ↑ T. Harafuji and J. Kawamura. Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal : Appl. Phys.. — 2004. — С. 2501. — doi:10.1063/1.1772878.
  2. ↑ Bougrov V., Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Zubrilov A., in Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe. Eds. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S., John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, 1–30
  3. ↑ 1 2 Isamu Akasaki and Hiroshi Amano. Crystal Growth and Conductivity Control of Group III Nitride Semiconductors and Their Application to Short Wavelength Light Emitters : Jpn. J. Appl. Phys.. — 1997. — С. 5393–5408. — doi:10.1143/JJAP.36.5393.
  4. ↑ Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information — Document #434361. Дата обращения: 3 мая 2010. Архивировано 25 мая 2011 года.
  5. ↑ 1 2 3 Hiroshi Amano, Masahiro Kito, Kazumasa Hiramatsu и Isamu Akasaki. P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI) : Jpn. J. Appl. Phys.. — 1989. — С. L2112-L2114. — doi:10.1143/JJAP.28.L2112.
  6. ↑ Shinji Terao, Motoaki Iwaya, Ryo Nakamura, Satoshi Kamiyama, Hiroshi Amano и Isamu Akasaki. Fracture of AlxGa1-xN/GaN Heterostructure —Compositional and Impurity Dependence. — 2001. — С. L195-L197. — doi:10.1143/JJAP.40.L195.
  7. ↑ lbl.gov, blue-light-diodes. Дата обращения: 3 мая 2010. Архивировано 25 октября 2010 года.
  8. ↑ H. Amano. Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer : Applied Physics Letters. — 1986. — С. 353. — doi:10.1063/1.96549. (недоступная ссылка)
  9. ↑ 1 2 Наталья Быкова Нитрид галлия идёт на смену кремнию. // Эксперт, 2022, № 17-18. — с. 68-71
  10. ↑ Hiroshi Amano, Tsunemori Asahi and Isamu Akasaki. Stimulated Emission Near Ultraviolet at Room Temperature from a GaN Film Grown on Sapphire by MOVPE Using an AlN Buffer Layer : Jpn. J. Appl. Phys.. — 1990. — С. L205-L206. — doi:10.1143/JJAP.29.L205.
  11. ↑ Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shigetoshi Sota, Hiromitsu Sakai, Toshiyuki Tanaka и Masayoshi Koike. Stimulated Emission by Current Injection from an AlGaN/GaN/GaInN Quantum Well Device : Jpn. J. Appl. Phys.. — 1995. — С. L1517-L1519. — doi:10.1143/JJAP.34.L1517.
  12. ↑ Morkoç, H. Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies : Journal of Applied Physics. — 1994. — С. 1363. — doi:10.1063/1.358463.
  13. ↑ Asif Khan, M. Metal semiconductor field effect transistor based on single crystal GaN : Applied Physics Letters. — 1993. — С. 1786. — doi:10.1063/1.109549.
  14. ↑ Hajime Okumura. Present Status and Future Prospect of Widegap Semiconductor High-Power Devices : Jpn. J. Appl. Phys.. — 2006. — С. 7565–7586. — doi:10.1143/JJAP.45.7565.
  15. ↑ Революция на рынке полупроводников: нитрид галлия против кремния Архивная копия от 3 июня 2022 на Wayback Machine // 12 ноября, 2021
  16. ↑ Применение транзисторов на нитриде галлия в электроэнергетике Архивная копия от 6 августа 2022 на Wayback Machine // Элек.ру, 5 апреля 2022
  17. ↑ Нитрид галлия — мини-революция на рынке зарядных устройств? Архивная копия от 6 августа 2022 на Wayback Machine Что такое и как работает GaN-зарядка? Архивная копия от 6 августа 2022 на Wayback Machine // IXBT.com, 22 февраля 2020
  18. ↑ «Gallium Nitride-Based Modules Set New 180-Day Standard For High Power Operation.» Архивная копия от 20 ноября 2021 на Wayback Machine Northrop Grumman, 13 April 2011.
  19. ↑ Cassidian ex-tends its leading position in state-of-the-art radar technology. Дата обращения: 22 августа 2014. Архивировано 26 августа 2014 года.
  20. ↑ TRS-4D Naval Radar Архивировано 27 января 2013 года.
  21. ↑ Первое в России производство транзисторов на основе нитрида галлия откроют в Москве // 5.08.2022
  22. ↑ Research Finds Gallium Nitride is Non-Toxic, Biocompatible — Holds Promise For Biomedical Implants // NC State News :: NC State News and Information. Дата обращения: 14 ноября 2012. Архивировано 29 апреля 2014 года.