Нитрид галлия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Nobelprice Physics 2014[править | править вики-текст]

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/popular-physicsprize2014.pdf[править | править вики-текст]

"gallium nitride (gaN)"
"mixing indium (In) and aluminium (Al)"
"p-GaN"
"p-AlGaN"
"zinc-doped InGaN"
"h-GaN"
"GaN Buffer layer"
"Sapphire Substrate"


Нитрид галлия
GaNcrystal.jpg
Элементарная ячейка кристалла GaN типа вюрцита.

__ Ga     __ N
Общие
Хим. формула GaN
Физические свойства
Состояние жёлтый порошок
Молярная масса 83,73 г/моль
Плотность 6,15 г/см³
Термические свойства
Т. плав. >2500[1]
Теплопроводность 130 Вт/(м·K)
Химические свойства
Растворимость в воде Взаимодействует
Оптические свойства
Показатель преломления 2,29
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 CAS 25617-97-4
PubChem 117559
SMILES
RTECS LW9640000
ChemSpider 105057
Приводятся данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иначе.

Нитрид галлия — бинарное неорганическое химическое соединение галлия и азота. 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. Начал широко использоваться в светодиодах с 1990 года, а также мощных и высокочастотных полупроводниковых приборах. Имеет повышенную устойчивость к ионизирующему излучению (также, как и для другие полупроводниковые материалы — нитриды III группы), что перспективно для создания длительно работающих солнечных батарей космических аппаратов.

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 усилителях мощности СВЧ.

Физические свойства[править | править вики-текст]

При нормальных условиях кристаллический порошок жёлтого цвета. Кристаллизуется в структуре типа вюрцита. 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].

Нитрид галлия является перспективным материалом для создания высокочастотных, теплостойких и мощных полупроводниковых приборов[8].

Разработки[править | править вики-текст]

Широко используется для создания светодиодов, полупроводниковых лазеров, сверхвысокочастотных транзисторов.

Кристаллический нитрид галлия высокого качества может быть получен при низкой температуре методом осаждения из парогазовой фазы на AlN — буферном слое[9]. Получение кристаллов нитрида галлия высокого качества позволило изучить проводимость p-типа данного соединения[5], благодаря реализации p — n-перехода создать голубые и УФ светодиоды [5], эффективно излучающие при комнатной температуре[10] (необходимая 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.

Высокая яркость светодиодов из GaN завершила ряд эмиссии основных цветов — это позволило создать полноцветные светодиодные дисплеи[12].

Нитриды (полупроводники) третьей группы признаны одними из самых перспективных материалов для изготовления оптических приборов в видимой коротковолновой и УФ-области. Потенциальные рынки для высокомощных/высокочастотных приборов на основе GaN включают в себя СВЧ (радиочастотные усилители мощности) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей. Большая ширина запрещённой зоны означает, что производительность транзисторов из нитрида галлия сохраняется вплоть до высоких температур, по сравнению с кремниевыми транзисторами. Первый нитрид галлия экспериментально показали в полупроводниковых полевых транзисторах в 1993 году[13]; сейчас эта область активно развивается.

Перспективным направлением использованием нитрида галлия является военная электроника, в частности твердотельные приёмопередающие модули на основе GaN активной фазированной антенной решётки.[14] В Европе лидером в разработке и применении в АФАР технологии приёмопередающих модулей (ППМ) на основе GaN является компания Cassidian [15][16], разработавшая и предлагающая ВМС ряда стран новую корабельную РЛС TRS-4D.

Синтез[править | править вики-текст]

Кристаллы нитрида галлия могут быть выращены сплавом N и Ga, проводимый при давлении 100 атм в атмосфере N2 при температуре 750 °C (присутствие давления обуславливается тем, что галлий не будет реагировать с азотом ниже 1000 °C при обычном давлении). Нитрид галлия создается двумя путями:

~\mathsf{2Ga+2NH_3 \longrightarrow  2GaN+3H_2\uparrow}
~\mathsf{Ga_2O_3+2NH_3 \longrightarrow 2GaN+3H_2O}

Безопасность[править | править вики-текст]

Нитрид галлия является нетоксичным[17]. Пыль вызывает раздражение кожи, глаз и лёгких. Источниками нитрида галлия могут быть промышленные предприятия.

См. также[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  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
  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
  8. 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
  9. 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
  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. "Gallium Nitride-Based Modules Set New 180-Day Standard For High Power Operation." Northrop Grumman, 13 April 2011.
  15. Cassidian ex-tends its leading position in state-of-the-art radar technology
  16. TRS-4D Naval Radar
  17. NC State News :: NC State News and Information » Research Finds Gallium Nitride is Non-Toxic, Biocompatible – Holds Promise For Biomedical Implants