Нитрид галлия | это... Что такое Нитрид галлия? (original) (raw)

Нитрид галлия
Нитрид галлия: химическая формула
Wurtzite polyhedra.png __ Ga __ N
Общие
Химическая формула GaN
Физические свойства
Состояние (ст. усл.) жёлтый порошок
Молярная масса 83.73 г/моль
Плотность 6.15 г/см³
Термические свойства
Температура плавления >2500[1] °C
Теплопроводность (ст. усл.) 130 Вт/(м·K)
Оптические свойства
Показатель преломления 2.29
Структура
Координационная геометрия тетраэдральная, пространственная группа C6v4-P63mc
Кристаллическая структура структура вюрцита
Классификация
Рег. номер CAS 25617-97-4
RTECS LW9640000

Нитрид галлия — бинарное неорганическое химическое соединение галлия с азотом. Широко используется в светодиодах с 1990 года. Соединение представляет собой очень жёсткий материал, который имеет кристаллическую структуру вюрцита. Широкая запрещённая зона — 3,4 эВ, позволяет использовать его для создания опто-электронных устройств ультрафиолетового диапазона, а также мощных и высокочастотных приборов. Его чувствительность к ионизирующему излучению низка (так же как и для других нитридов III группы), что делает его подходящим материалом для массивов солнечных батарей на спутниках. Из-за того что транзисторы из нитрида галлия могут работать при более высоких температурах и напряжениях, чем транзисторы из арсенида галлия, они становятся более привлекательными для применения в усилителях мощности СВЧ.

Физические свойства

Является прямозонным полупроводником с шириной запрещённой зоны 3.39 эВ при 300 K. Нитрид галлия очень тяжёлый, механически стабильный материал с большой теплоёмкостью[2]. В чистом виде он способен противостоять растрескиванию и может храниться как тонкая пленка на сапфире или карбиде кремния, несмотря на несоответствие в их постоянных решётки[2]. Нитрид галлия может быть легирован кремнием, либо кислородом[3] формируя N-тип и магнием формируя P-тип[4]; однако, атомы кремния и магния изменяют путь роста кристаллов GaN, представляя собой статическое растяжение, что и делает их ломкими[5]. Соединения нитрида галлия, как правило, обладают высокой пространственной частотой дефекта (порядка 100 млн до 10 млрд дефектов на см²)[6].

Нитрид галлия является перспективным материалом для высокочастотных, высокотемпературных и мощных применений.[7].

Разработки

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[8]. Высококачественный кристалл нитрида галлия привел к тому, что были открыты полупроводник p-типа данного соединения[4], p — n-переход голубых/УФ-светодиодов[4] и эмиссия при комнатной температуре[9] (необходимая для лазерного излучения)[10]. 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[11].

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[12]; сейчас эта область активно развивается.

Синтез

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

Нитрид галлия является нетоксичным[13]. Пыль вызывает раздражение кожи, глаз и лёгких. Источниками нитрида галлия могут быть промышленные предприятия.

См. также

Ссылки

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. ↑ 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
  3. ↑ Information Bridge: DOE Scientific and Technical Information — Document #434361
  4. ↑ 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
  5. ↑ 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
  6. ↑ lbl.gov, blue-light-diodes
  7. ↑ 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
  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
  9. ↑ 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
  10. ↑ 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
  11. ↑ 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
  12. ↑ Asif Khan, M. Metal semiconductor field effect transistor based on single crystal GaN : Applied Physics Letters. — 1993. — С. 1786. — DOI:10.1063/1.109549
  13. ↑ NC State News :: NC State News and Information » Research Finds Gallium Nitride is Non-Toxic, Biocompatible – Holds Promise For Biomedical Implants