Nitrură de galiu - Gallium nitride

Nitrură de galiu
Numele
	Numele IUPAC Nitrură de galiu
Identificatori
Numar CAS
Model 3D ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard	100.042.830
PubChem CID
UNII
CompTox Dashboard ( EPA )
	InChI InChI = 1S / Ga.N Cheie: JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N ; InChI = 1 / Ga.N / rGaN / c1-2 Cheie: JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI ;
	ZÂMBETE [Ga] #N; [Ga + 3]. [N-3];
Proprietăți
Formula chimica	GaN
Masă molară	83,730 g / mol
Aspect	pulbere galbenă
Densitate	6,1 g / cm 3
Punct de topire	> 1600 ° C
Solubilitate in apa	Insolubil
Band gap	3,4 eV (300 K, direct)
Mobilitatea electronilor	1500 cm 2 / (V · s) (300 K)
Conductivitate termică	1,3 W / (cm · K) (300 K)
Indicele de refracție ( n D )	2.429
Structura
Structură cristalină	Wurtzite
Grup spațial	C 6v 4 - P 6 3 mc
Constanta rețelei	a = 3,186 Å, c = 5,186 Å
Geometria coordonării	Tetraedric
Termochimie
Entalpia standard de ; formare (Δ f H ⦵ 298 )	−110,2 kJ / mol
Pericole
Punct de aprindere	Neinflamabil
Compuși înrudiți
Alți anioni	Fosfură de ; galiu Arsenidă de ; galiu Antimonid de galiu
Alți cationi	Nitrură de bor Nitrură de ; aluminiu Nitrură de ; indiu
Compuși înrudiți	Arsenid de galiu de aluminiu Arsenid de galiu de ; indiu ; Fosfură de arsenid de galiu Nitrură de ; galiu de aluminiu ; Nitrură de galiu de indiu
	Cu excepția cazului în care se menționează altfel, datele sunt furnizate pentru materiale în starea lor standard (la 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
	verifica ( ce este ?)
	Referințe infobox

Nitrura de galiu ( Ga N ) este un semiconductor binar III / V direct bandgap utilizat în mod obișnuit în diodele cu lumină albastră din anii 1990. Compusul este un material foarte dur , care are o structură cristalină Wurtzite . Intervalul său larg de bandă de 3,4 eV îi conferă proprietăți speciale pentru aplicații pe dispozitive optoelectronice , de mare putere și de înaltă frecvență. De exemplu, GaN este substratul care face posibile diodele laser violete (405 nm), fără a necesita dublarea frecvenței optice neliniare .

Sensibilitatea sa la radiațiile ionizante este scăzută (la fel ca alte nitruri din grupa III ), făcându-l un material adecvat pentru rețelele de celule solare pentru sateliți . Aplicațiile militare și spațiale ar putea beneficia, de asemenea, deoarece dispozitivele au demonstrat stabilitate în mediile de radiații .

Deoarece tranzistoarele GaN pot funcționa la temperaturi mult mai ridicate și pot funcționa la tensiuni mult mai mari decât tranzistoarele de arsenidă de galiu (GaAs), ele produc amplificatoare de putere ideale la frecvențe cu microunde. În plus, GaN oferă caracteristici promițătoare pentru dispozitivele THz . Datorită densității ridicate a puterii și a limitelor de rupere a tensiunii, GaN apare, de asemenea, ca un candidat promițător pentru aplicațiile stației de bază celulare 5G.

Proprietăți fizice

Cristal GaN

GaN este un material semiconductor cu bandă largă foarte dur ( duritate Knoop 14,21 GPa), cu capacitate termică mare și conductivitate termică. În forma sa pură, rezistă la fisurare și poate fi depus în peliculă subțire pe safir sau carbură de siliciu , în ciuda neconcordanței dintre constantele lor de rețea . GaN poate fi dopat cu siliciu (Si) sau cu oxigen la tip n și cu magneziu (Mg) la tip p . Cu toate acestea, atomii de Si și Mg schimbă modul în care cresc cristalele GaN, introducând tensiuni de tracțiune și făcându-le fragile. Gallium de nitrură de compuși , de asemenea , tind să aibă o înaltă dislocare densitate, de ordinul a 10 ⁸ 10 ¹⁰ defecte pe centimetru pătrat. Comportamentul larg al band-gap al GaN este legat de schimbări specifice în structura benzii electronice, ocuparea sarcinii și regiunile de legătură chimică.

Army Research Laboratory US (ARL) a furnizat prima măsurare a electronilor câmp înalt viteza în GaN în 1999. Cercetătorii de la ARL obținută experimental un vârf la starea de echilibru a vitezei de 1,9 x 10 ⁷ cm / s, cu un tranzit timp de 2,5 picosecunde , atins la un câmp electric de 225 kV / cm. Cu aceste informații, mobilitatea electronilor a fost calculată, oferind astfel date pentru proiectarea dispozitivelor GaN.

Dezvoltări

GaN cu o calitate cristalină ridicată poate fi obținut prin depunerea unui strat tampon la temperaturi scăzute. O astfel de GaN de înaltă calitate a condus la descoperirea GaN de tip p, LED-uri albastre de joncțiune pn / LED-uri UV și emisie stimulată la temperatura camerei (esențială pentru acțiunea laserului). Acest lucru a condus la comercializarea LED-urilor albastre de înaltă performanță și a diodelor cu laser violet de lungă durată și la dezvoltarea dispozitivelor pe bază de nitruri, cum ar fi detectoarele UV și tranzistoarele cu efect de câmp de mare viteză .

LED-uri

Diodele emițătoare de lumină (LED-uri) GaN cu luminozitate ridicată au completat gama de culori primare și au făcut posibile aplicații precum afișajele LED-uri full-color la lumina zilei, LED-urile albe și dispozitivele laser albastre . Primele LED-uri de înaltă luminozitate bazate pe GaN au folosit o peliculă subțire de GaN depusă prin epitaxie metalorganică în fază de vapori (MOVPE) pe safir . Alte substraturi utilizate sunt oxidul de zinc , cu nepotrivire constantă a rețelei de doar 2% și carbură de siliciu (SiC). Semiconductorii de nitrură din grupa III sunt, în general, recunoscuți drept una dintre cele mai promițătoare familii de semiconductori pentru fabricarea dispozitivelor optice în lungimea de undă scurtă vizibilă și regiunea UV.

Tranzistoare GaN și circuite integrate de alimentare

Tensiunile de rupere foarte mari, mobilitatea electronică ridicată și viteza de saturație a GaN au făcut-o, de asemenea, un candidat ideal pentru aplicații cu microunde de înaltă putere și temperatură ridicată, dovadă fiind cifra sa de merit ridicată a lui Johnson . Piețele potențiale pentru dispozitivele de înaltă putere / frecvență înaltă bazate pe GaN includ amplificatoare de putere cu frecvență radio cu microunde (cum ar fi cele utilizate în transmisia de date fără fir de mare viteză) și dispozitive de comutare de înaltă tensiune pentru rețelele electrice. O potențială aplicație de piață în masă pentru tranzistoarele RF bazate pe GaN este ca sursă de microunde pentru cuptoarele cu microunde , înlocuind magnetronii utilizați în prezent. Distanța mare de bandă înseamnă că performanța tranzistoarelor GaN este menținută până la temperaturi mai ridicate (~ 400 ° C) decât tranzistoarele de siliciu (~ 150 ° C), deoarece reduce efectele generării termice a purtătorilor de sarcină care sunt inerente oricărui semiconductor. Primii tranzistori cu efect de câmp cu semiconductori de nitrură de galiu (GaN MESFET ) au fost demonstrați experimental în 1993 și sunt în curs de dezvoltare activă.

În 2010, primele tranzistoare GaN în mod îmbunătățit au devenit în general disponibile. Doar tranzistoarele cu canal n erau disponibile. Aceste dispozitive au fost concepute pentru a înlocui MOSFET-urile de putere în aplicații în care viteza de comutare sau eficiența conversiei de energie sunt critice. Acești tranzistori sunt construiți prin creșterea unui strat subțire de GaN deasupra unei plăci de siliciu standard, adesea denumită GaN-on-Si de către producători. Acest lucru permite FET-urilor să mențină costuri similare cu MOSFET-urile cu siliciu, dar cu performanța electrică superioară a GaN. O altă soluție aparent viabilă pentru realizarea HFET-urilor cu canal GaN în modul de îmbunătățire este utilizarea unui strat AlInGaN cuaternar cu rețea potrivită de nepotrivire acceptabilă cu polarizare spontană scăzută la GaN.

Circuitele de alimentare GaN integrează monolitic un circuit de acționare GaN FET, bazat pe GaN și protecția circuitului într-un singur dispozitiv de montare la suprafață. Integrarea înseamnă că bucla de poartă-unitate are în esență zero impedanță, ceea ce îmbunătățește în continuare eficiența prin eliminarea practică a pierderilor de oprire FET. Studiile academice privind crearea circuitelor IC de putere GaN de joasă tensiune au început la Universitatea de Știință și Tehnologie din Hong Kong (HKUST) și primele dispozitive au fost demonstrate în 2015. Producția comercială de energie electrică GaN a început în 2018.

Logica CMOS

În 2016 a fost raportată prima logică GaN CMOS care utilizează tranzistoare PMOS și NMOS (cu lățimi de poartă ale tranzistoarelor PMOS și NMOS de 500μm și respectiv 50μm).

Aplicații

LED-uri și lasere

Diodele laser violet bazate pe GaN sunt utilizate pentru citirea discurilor Blu-ray . Amestecul GaN cu In ( InGaN ) sau Al ( AlGaN ) cu o distanță de bandă dependentă de raportul In sau Al la GaN permite fabricarea diodelor emițătoare de lumină ( LED-uri ) cu culori care pot merge de la roșu la ultra-violet .

Tranzistoare și circuite integrate de alimentare

Tranzistoare GaN cu mobilitate ridicată a electronilor (fabricate de Ferdinand-Braun-Institut )

Tranzistoarele GaN sunt potrivite pentru aplicații de înaltă frecvență, înaltă tensiune, temperatură înaltă și eficiență ridicată.

HEMT - urile GaN au fost oferite comercial din 2006 și au găsit o utilizare imediată în diverse aplicații de infrastructură fără fir datorită eficienței ridicate și funcționării de înaltă tensiune. O a doua generație de dispozitive cu lungimi mai mici de poartă se va adresa aplicațiilor de telecomunicații și aerospațiale cu frecvență mai mare.

Tranzistoarele MOSFET și MESFET bazate pe GaN oferă, de asemenea, avantaje, inclusiv pierderi mai mici în electronica de mare putere, în special în aplicațiile auto și electrice. Din 2008 acestea pot fi formate pe un substrat de siliciu. De asemenea, au fost realizate diode de barieră Schottky (SBD) de înaltă tensiune (800 V) .

Eficiența mai mare și densitatea ridicată a puterii IC-urilor integrate de putere GaN le permit să reducă dimensiunea, greutatea și numărul de componente ale aplicațiilor, inclusiv încărcătoare de mobil și laptop, electronice de larg consum, echipamente de calcul și vehicule electrice.

Electronica bazată pe GaN (nu GaN pură) are potențialul de a reduce drastic consumul de energie, nu numai în aplicațiile de consum, ci chiar și pentru utilitățile de transmisie a energiei .

Spre deosebire de tranzistoarele de siliciu care se opresc din cauza supratensiunilor de putere, tranzistoarele GaN sunt de obicei dispozitive în modul de epuizare (adică pornite / rezistive când tensiunea sursei porții este zero). Au fost propuse mai multe metode pentru a ajunge la funcționarea normală oprită (sau în modul E), care este necesară pentru utilizarea în electronica de putere:

implantarea ionilor de fluor sub poartă (sarcina negativă a ionilor F favorizează epuizarea canalului)
utilizarea unei stive de poartă de tip MIS, cu adâncitura AlGaN
integrarea unei perechi în cascadă constituită dintr-un tranzistor GaN normal pornit și un MOSFET de siliciu de joasă tensiune
utilizarea unui strat de tip p deasupra heterojuncției AlGaN / GaN

Radare

Ele sunt, de asemenea, utilizate în electronice militare, cum ar fi radare active cu scanare electronică .

A fost introdus de Thales Group în 2010 cu radarul Ground Master 400 . În 2021 Thales a pus în funcțiune peste 50 000 de emițătoare GaN pe sistemele radar.

Armata SUA finanțat Lockheed Martin pentru a încorpora tehnologia GaN activă dispozitiv în AN / TPQ-53 sistem radar pentru a înlocui două sisteme radar cu rază mediu, AN / TPQ-36 și AN / TPQ-37 . Sistemul radar AN / TPQ-53 a fost conceput pentru a detecta, clasifica, urmări și localiza sistemele de foc indirect ale inamicului, precum și sistemele aeriene fără pilot. Sistemul radar AN / TPQ-53 a oferit performanțe sporite, mobilitate mai mare, fiabilitate și suportabilitate sporite, costuri reduse ale ciclului de viață și dimensiuni reduse ale echipajului comparativ cu sistemele AN / TPQ-36 și AN / TPQ-37.

Lockheed Martin a lansat alte radare operaționale tactice cu tehnologia GaN în 2018, inclusiv TPS-77 Multi Role Radar System implementat în Letonia și România . În 2019, partenerul Lockheed Martin ELTA Systems Limited , a dezvoltat un radar multi-misiune ELM-2084 bazat pe GaN, care a fost capabil să detecteze și să urmărească ambarcațiunile aeriene și țintele balistice, oferind în același timp îndrumări de control al focului pentru interceptarea rachetelor sau a artileriei de apărare aeriană.

Pe 8 aprilie 2020, zborul Saab a testat noul radar AESA X-band proiectat de GaN într-un luptător JAS-39 Gripen . Saab oferă deja produse cu radare bazate pe GaN, cum ar fi radarul Giraffe , Erieye , GlobalEye și Arexis EW. Saab livrează, de asemenea, subsisteme majore, ansambluri și software pentru AN / TPS-80 (G / ATOR)

Nanoscală

Nanotuburi și nanofire GaN sunt propuse pentru aplicații în aplicații electronice la scară nano , optoelectronică și aplicații de detectare biochimică.

Potențialul Spintronics

Când este dopat cu un metal de tranziție adecvat , cum ar fi manganul , GaN este un material spintronic promițător ( semiconductori magnetici ).

Sinteză

Substraturi în vrac

Cristale GaN pot fi cultivate dintr - o topitură de Na / Ga melt ținut sub 100 atmosfere de presiune N ₂ la 750 ° C. Ca Ga nu va reacționa cu N ₂ sub 1000 ° C, pulberea trebuie făcută din ceva mai reactiv, de obicei , într - una din următoarele moduri:

2 Ga + 2 NH ₃ → 2 GaN + 3 H ₂

Ga ₂ O ₃ + 2 NH ₃ → 2 GaN + 3 H ₂ O

Nitrura de galiu poate fi de asemenea sintetizată prin injectarea de amoniac gazos în galiu topit la 900-980 ° C la presiune atmosferică normală.

Epitaxie cu fascicul molecular

Din punct de vedere comercial, cristalele de GaN pot fi cultivate folosind epitaxi cu fascicul molecular sau epitaxi cu fază de vapori metalorganici . Acest proces poate fi modificat în continuare pentru a reduce densitatea luxației. În primul rând, un fascicul de ioni este aplicat pe suprafața de creștere pentru a crea rugozitate la scară nanomatică. Apoi, suprafața este lustruită. Acest proces are loc în vid. Metodele de lustruire folosesc în mod obișnuit un electrolit lichid și iradiere UV pentru a permite îndepărtarea mecanică a unui strat subțire de oxid din napolitane. Au fost dezvoltate metode mai recente care utilizează electroliți polimerici în stare solidă care nu conțin solvenți și nu necesită radiații înainte de lustruire.

Siguranță

Praful de GaN este iritant pentru piele, ochi și plămâni. Aspectele de mediu, sănătate și siguranță ale surselor de nitrură de galiu (cum ar fi trimetilgaliu și amoniac ) și studii de monitorizare a igienei industriale ale surselor de MOVPE au fost raportate într-o revizuire din 2004.

Bulk GaN este netoxic și biocompatibil. Prin urmare, poate fi utilizat în electrozii și electronica implanturilor din organismele vii.