Nitrid gallia

Gallium nitrid  je binární anorganická chemická sloučenina gallia a dusíku . Chemický vzorec GaN. Za běžných podmínek velmi pevná látka s krystalovou strukturou wurtzitového typu . Polovodič s přímou mezerou se širokým pásmem  - 3,4 eV (při 300 K ).

Používá se jako polovodičový materiál pro výrobu optoelektronických zařízení v ultrafialové oblasti ; od roku 1990 začal být široce používán v LED . Také ve vysokovýkonových a vysokofrekvenčních polovodičových zařízeních .

Fyzikální vlastnosti

Za normálních podmínek bezbarvý průhledný krystal . Krystalizuje ve struktuře wurtzitového typu , možná je i krystalizace metastabilní fáze se strukturou sfaleritu (směs zinku). Žáruvzdorné a tvrdé . Docela solidní ve své nejčistší formě. Má vysokou tepelnou vodivost a tepelnou kapacitu . [3]

Jedná se o polovodič s přímou mezerou s zakázaným pásmem 3,39 eV při 300 K. Ve své čisté formě může být pěstován ve formě monokrystalických tenkých filmů na substrátech safír nebo karbid křemíku , navzdory skutečnosti, že jejich mřížkové konstanty jsou různé [3] . Když je legován křemíkem nebo kyslíkem, získává elektronický typ vodivosti . Když je legován hořčíkem , stává se polovodičem s děrovým typem vodivosti [4] [5] . Ale atomy křemíku a hořčíku, pronikající do krystalové mřížky GaN, ji deformují, což způsobuje mechanické roztažení krystalové mřížky a činí monokrystaly křehkými [6] — filmy nitridu galia mají zpravidla vysokou povrchovou koncentraci dislokací (od 100 milionů až 10 miliard na cm 2 ) [7] .

Syntéza

Krystaly nitridu galia jsou pěstovány přímou syntézou z prvků a při tlaku 100 atm v dusíkové atmosféře a teplotě 750 °C (pro reakci gallia a dusíku je při relativně nízkých teplotách nutný zvýšený tlak plynného prostředí; za podmínek nízkého tlaku gallium nereaguje s dusíkem pod 1000 °C):

Prášek nitridu galia lze získat také z chemicky aktivnějších látek:

Vysoce kvalitní krystalický nitrid gallia lze získat při nízké teplotě depozicí plynných par na AlN pufrovací vrstvě [8] . Získání vysoce kvalitních krystalů nitridu galia umožnilo studovat p-typ vodivosti této sloučeniny [5] .

Aplikace

Široce se používá k vytvoření světelných diod , polovodičových laserů , mikrovlnných tranzistorů. [9]

Díky implementaci pn přechodu a dotování přechodové vrstvy indiem bylo možné vytvořit levné a vysoce účinné modré a UV LED [5] , které efektivně vyzařují při pokojové teplotě [10] (což je také nezbytné pro laser záření) [11] , to vedlo ke komercializaci vysoce výkonných modrých LED a dlouhé životnosti fialových laserových diod, stejně jako k vývoji zařízení na bázi nitridu, jako jsou UV detektory a vysokorychlostní FET. Vytvoření levných a vysoce účinných vysoce svítivých InGaN modrých LED bylo posledním ve vývoji primárních barevných LED, a to umožnilo vytvořit plnobarevné LED obrazovky [12] . Navíc potažení modré LED fosforem , který znovu vyzařuje část modrého záření v zeleno-červené oblasti, umožnilo vytvořit bílé LED , které se hojně používají v osvětlovacích zařízeních, různých svítilnách, lampách a lampách pro různé účely. Nitridy (polovodiče) třetí skupiny jsou uznávány jako jeden z nejslibnějších materiálů pro výrobu optických zařízení ve viditelné krátkovlnné a UV oblasti.

V roce 1993 byly získány první experimentální tranzistory s efektem pole z nitridu galia [13] . Nyní se tato oblast aktivně rozvíjí. Nyní je nitrid galia slibným materiálem pro vytváření vysokofrekvenčních, tepelně odolných a výkonných polovodičových součástek [14] . Velká bandgap znamená, že výkon tranzistorů z nitridu galia je udržován při vyšších teplotách ve srovnání s křemíkovými tranzistory [15] . Vzhledem k tomu, že gallium nitridové tranzistory mohou pracovat při vyšších teplotách a napětích než gallium arsenidové tranzistory , je tento materiál stále atraktivnější pro vytváření zařízení používaných v mikrovlnných zesilovačích výkonu. Důležitými přednostmi tranzistorů založených na tomto polovodiči je rychlost oproti produktům vytvořeným pomocí jiných technologií - MOSFET a IGBT , dále schopnost pracovat při vysokém napětí a vysoká spolehlivost [16] . Potenciální trhy pro vysoce výkonná a vysokofrekvenční zařízení na bázi GaN zahrnují mikrovlnné (radiofrekvenční výkonové zesilovače ) a vysokonapěťová spínací zařízení pro elektrické sítě [17] .

Slibným směrem využití nitridu galia je vojenská elektronika, zejména polovodičové moduly transceiveru aktivního fázovaného anténního pole (APAA) na bázi GaN [18] . V Evropě je lídrem ve vývoji a aplikaci technologie transceiverového modulu (TRM) na bázi GaN v AFAR je společnost Airbus Defense and Space [19] [20] , která vyvinula a nabízí námořnictvu řady zemí nový lodní TRS -4D radar .

Má zvýšenou odolnost vůči ionizujícímu záření (stejně jako ostatní polovodičové materiály - nitridy skupiny III), což je perspektivní pro tvorbu dlouhodobých solárních baterií pro kosmické lodě .

Gallium nitrid je jedním z nejoblíbenějších a nejslibnějších materiálů v moderní elektronice. Vývoj technologií založených na tomto polovodiči má strategický význam pro průmyslová odvětví, jako jsou telekomunikace, automobilový průmysl, průmyslová automatizace a energetika. Podle prognóz předních průmyslových analytiků bude průměrná roční míra růstu globálního trhu s výkonovou elektronikou na bázi nitridu galia do roku 2024 činit 85 %. [21]

Jako substrát pro nitrid galia v polovodičových součástkách se používá safír , karbid křemíku a také diamant . [9]

Zabezpečení

Gallium nitrid je netoxický [22] , ale jeho prach dráždí kůži, oči a plíce. Zdrojem nitridu galia mohou být emise z průmyslových podniků.

Viz také

• Schottkyho dioda
• Epitaxe
  • Epitaxe molekulárního paprsku

Odkazy

• Fyzikální vlastnosti nitridu galia // matprop.ru Archivováno 4. března 2016 na Wayback Machine
• Kutolin S. A., Vulikh A. I., Sergeeva A. E.  Metoda pro získání nitridu galia  - Autorský certifikát SSSR ... Archivní kopie z 12. prosince 2013 na Wayback Machine
• Bodnar Dmitrij . Nitrid galia je premiantem mezi novými materiály pro polovodičovou mikroelektroniku // Komponenty a technologie №4 '2018

Poznámky

1. ↑ T. Harafuji a J. Kawamura. Simulace molekulární dynamiky pro vyhodnocení bodu tání krystalu GaN wurtzitového typu: Appl. Phys.. - 2004. - S. 2501 . - doi : 10.1063/1.1772878 .
2. ↑ Bougrov V., Levinshtein ME, Rumyantsev SL, Zubrilov A., in Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe . Eds. Levinshtein ME, Rumyantsev SL, Shur MS, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, 1–30
3. ↑ 1 2 Isamu Akasaki a Hiroshi Amano. Růst krystalů a řízení vodivosti nitridových polovodičů skupiny III a jejich aplikace na zářiče světla s krátkou vlnovou délkou: Jpn. J. Appl. Phys.. - 1997. - S. 5393-5408 . - doi : 10.1143/JJAP.36.5393 .
4. ↑ Informační most: Vědecké a technické informace DOE – dokument #434361 . Získáno 3. května 2010. Archivováno z originálu 25. května 2011. (neurčitý)
5. ↑ 1 2 3 Hiroshi Amano, Masahiro Kito, Kazumasa Hiramatsu a Isamu Akasaki. Vedení typu P v GaN dopovaném Mg ošetřeném ozařováním nízkoenergetickým elektronovým paprskem (LEEBI): Jpn. J. Appl. Phys.. - 1989. - S. L2112-L2114 . - doi : 10.1143/JJAP.28.L2112 .
6. ↑ Shinji Terao, Motoaki Iwaya, Ryo Nakamura, Satoshi Kamiyama, Hiroshi Amano a Isamu Akasaki. Zlomenina AlxGa1-xN/GaN heterostruktury – závislost na složení a nečistotách. - 2001. - S. L195-L197 . - doi : 10.1143/JJAP.40.L195 .
7. ↑ lbl.gov, blue-light-diodes . Získáno 3. května 2010. Archivováno z originálu dne 25. října 2010. (neurčitý)
8. ↑ H. Amano. Metalorganický epitaxní růst vysoce kvalitního GaN filmu pomocí AlN pufrovací vrstvy  : Applied Physics Letters . - 1986. - S. 353 . - doi : 10.1063/1.96549 .  (nedostupný odkaz)
9. ↑ 1 2 Natalya Bykova Nitrid galia nahrazuje křemík. // Expert , 2022, č. 17-18. - S. 68-71
10. ↑ Hiroshi Amano, Tsunemori Asahi a Isamu Akasaki. Stimulovaná emise v blízkosti ultrafialového záření při pokojové teplotě z filmu GaN vypěstovaného na safíru společností MOVPE s použitím vyrovnávací vrstvy AlN: Jpn. J. Appl. Fyzik.. - 1990. - S. L205-L206 . - doi : 10.1143/JJAP.29.L205 .
11. ↑ Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shigetoshi Sota, Hiromitsu Sakai, Toshiyuki Tanaka a Masayoshi Koike. Stimulovaná emise injekcí proudu z AlGaN/GaN/GaInN kvantového vrtného zařízení: Jpn. J. Appl. Phys.. - 1995. - S. L1517-L1519 . - doi : 10.1143/JJAP.34.L1517 .
12. ↑ Morkoç, H. Technologie polovodičových zařízení na bázi SiC s velkou pásmovou mezerou, III-V nitridu a II-VI ZnSe : Journal of Applied Physics . - 1994. - S. 1363 . - doi : 10.1063/1.358463 .
13. ↑ Asif Khan, M. Kovový polovodičový tranzistor s efektem pole na bázi monokrystalu GaN: Applied Physics Letters . - 1993. - S. 1786 . - doi : 10.1063/1.109549 .
14. ↑ Hadžime Okumura. Současný stav a budoucí vyhlídky širokopásmových polovodičových vysoce výkonných zařízení: Jpn. J. Appl. Fyzik.. - 2006. - S. 7565–7586 . - doi : 10.1143/JJAP.45.7565 .
15. ↑ Revoluce na trhu polovodičů: nitrid galia vs křemík // 12. listopadu 2021
16. ↑ Použití nitridových tranzistorů galia v elektroenergetice // Elek.ru, 5. dubna 2022
17. ↑ Gallium nitrid – minirevoluce na trhu nabíječek? Co je nabíjení GaN a jak funguje? // IXBT.com , 22. února 2020
18. ↑ "Moduly na bázi nitridu galia stanovily nový 180denní standard pro provoz s vysokým výkonem." Archivováno 20. listopadu 2021 na Northrop Grumman Wayback Machine , 13. dubna 2011.
19. ↑ Cassidian ex-své vedoucí postavení v nejmodernější radarové technologii . Získáno 22. srpna 2014. Archivováno z originálu dne 26. srpna 2014. (neurčitý)
20. ↑ Námořní radar TRS-4D Archivováno 27. ledna 2013.
21. ↑ První výroba tranzistorů na bázi nitridu galia v Rusku bude otevřena v Moskvě // 08/05/2022
22. ↑ Výzkum zjistil, že nitrid galia je netoxický, biokompatibilní – má příslib pro biomedicínské implantáty // NC State News :: NC State News and Information . Datum přístupu: 14. listopadu 2012. Archivováno z originálu 29. dubna 2014. (neurčitý)