Нитрид галлия - NiNa.Az

У этого термина существуют и другие значения, см. GAN.

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).

Нитрид галлия
Элементарная ячейка кристалла GaN типа вюрцита.  Ga      N
Общие
Систематическое наименование	Нитрид галлия
Традиционные названия	азотистый галлий, мононитрид галлия, нитрид галлия(III)
Хим. формула	GaN
Рац. формула	GaN
Физические свойства
Состояние	жёлтый порошок
Молярная масса	83,73 г/моль
Плотность	6,15 г/см³
Термические свойства
Температура
• плавления	>2500
Теплопроводность	130 Вт/(м·K)
Химические свойства
Растворимость
• в воде	Взаимодействует
Оптические свойства
Показатель преломления	2,29
Структура
Координационная геометрия	тетраэдральная, пространственная группа C6v^4-P63mc
Кристаллическая структура	типа вюрцита, постоянные решётки: a = 0,319 нм, b = 0,519 нм
Классификация
Рег. номер CAS	25617-97-4
PubChem	117559
Рег. номер EINECS	247-129-0
SMILES	N#[Ga]
InChI	InChI=1S/Ga.N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N
RTECS	LW9640000
ChemSpider	105057
Безопасность
Токсичность	Нетоксичен
Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное.
Медиафайлы на Викискладе

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.

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. При легировании кремнием, либо кислородом приобретает электронный тип проводимости. При легировании магнием становится полупроводником с дырочным типом проводимости. Но атомы кремния и магния, внедряясь в кристаллическую решётку GaN искажают её, что вызывает механическое растяжение кристаллической решётки и придаёт монокристаллам хрупкость — плёнки нитрида галлия, как правило, имеют высокую дислокаций (от 100 млн до 10 млрд на см²).

Синтез

Кристаллы нитрида галлия выращивают прямым синтезом из элементов ${\displaystyle {\ce {N}}}$ и ${\displaystyle {\ce {Ga}}}$ при давлении 100 атм в атмосфере азота ${\displaystyle {\ce {N2}}}$ 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):

${\displaystyle {\ce {2 Ga + N2 -> 2 GaN}}}$.

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

${\displaystyle {\ce {2 Ga + 2NH3 -> 2 GaN + 3 H2 ^}}}$,

${\displaystyle {\ce {Ga2O3 + 2 NH3 -> 2 GaN + 3H2O}}}$.

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

Применение

См. также: Электронная промышленность

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

Благодаря реализации p-n-перехода и легирования переходного слоя индием, удалось создать недорогие и высокоэффективные синие и УФ светодиоды, эффективно излучающие при комнатной температуре (что необходимо в том числе для лазерного излучения), 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. 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. Сейчас эта область активно развивается. Сейчас нитрид галлия является перспективным материалом для создания высокочастотных, теплостойких и мощных полупроводниковых приборов. Большая ширина запрещённой зоны означает, что работоспособность транзисторов из нитрида галлия сохраняется при более высоких температурах, по сравнению с кремниевыми транзисторами. 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. Потенциальные рынки для высокомощных и высокочастотных приборов на основе GaN включают в себя СВЧ (радиочастотные усилители мощности) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей.

Перспективным направлением использованием нитрида галлия является военная электроника, в частности, твердотельные приёмопередающие модули активной фазированной антенной решётки (АФАР) на основе GaN. В Европе лидером в разработке и применении в АФАР технологии приёмопередающих модулей (ППМ) на основе GaN является компания Airbus Defence and Space, 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 %.

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

Безопасность

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

См. также

• Диод Шоттки
• Эпитаксия
  • Молекулярно-лучевая эпитаксия

Ссылки

• Физические свойства нитрида галлия // matprop.ru Архивная копия от 4 марта 2016 на Wayback Machine
• Кутолин С. А., Вулих А. И., Сергеева А. Е. Способ получения нитрида галлия — Авторское свидетельство СССР… Архивная копия от 12 декабря 2013 на Wayback Machine
• Боднарь Дмитрий. Нитрид галлия — премьер среди новых материалов полупроводниковой микроэлектроники // Компоненты и технологии №4 ’2018

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. 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  (неопр.). Дата обращения: 3 мая 2010. Архивировано 25 мая 2011 года.
5. 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  (неопр.). 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. 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  (неопр.). 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  (неопр.). Дата обращения: 14 ноября 2012. Архивировано 29 апреля 2014 года.