Нитрид галлия

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

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 и 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