Gallium-nitrid

A gallium-nitrid  a gallium és a nitrogén bináris szervetlen kémiai vegyülete . A GaN kémiai képlete. Rendes körülmények között nagyon szilárd anyag wurtzit típusú kristályszerkezettel . Közvetlen résű félvezető széles sávszélességgel  - 3,4 eV (300 K -en ).

Félvezető anyagként használják optoelektronikai eszközök gyártásához ultraibolya tartományban ; 1990 óta széles körben használják a LED -ekben . Nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás félvezető eszközökben is .

Fizikai tulajdonságok

Normál körülmények között színtelen átlátszó kristály . Wurtzit típusú szerkezetben kristályosodik , metastabil fázis kristályosítása szfalerit (cink keverék) szerkezettel is lehetséges. Tűzálló és kemény . Nagyon szilárd a legtisztább formájában. Magas hővezető képességgel és hőkapacitással rendelkezik . [3]

Közvetlen hézagú félvezető , 3,39 eV sávszélességgel 300 K-en. Tiszta formájában egykristályos vékony filmek formájában termeszthető zafír vagy szilícium-karbid hordozón , annak ellenére, hogy rácsállandóik különböznek [3] . Szilíciummal vagy oxigénnel ötvözve elektronikus típusú vezetőképességre tesz szert . Magnéziummal ötvözve lyuk típusú vezetőképességű félvezetővé válik [4] [5] . A GaN kristályrácsba behatoló szilícium- és magnéziumatomok azonban eltorzítják azt, ami a kristályrács mechanikai megnyúlását okozza, és az egykristályokat törékennyé teszi [6] - a gallium-nitrid filmek általában nagy felületi koncentrációjú diszlokációkkal rendelkeznek. 100-10 milliárd per cm 2 ) [7] .

Szintézis

A gallium-nitrid kristályokat elemekből történő közvetlen szintézissel és 100 atm nyomáson nitrogénatmoszférában és 750 ° C hőmérsékleten termesztik (a gallium és a nitrogén viszonylag alacsony hőmérsékleten történő reakciójához a gáznemű közeg megnövekedett nyomása szükséges; alacsony nyomású körülmények között a gallium nem lép reakcióba nitrogénnel 1000 °C alatt):

A gallium-nitrid por kémiailag aktívabb anyagokból is előállítható:

Kiváló minőségű kristályos gallium-nitrid állítható elő alacsony hőmérsékleten AlN pufferrétegre történő gőz-gáz leválasztással [8] . A kiváló minőségű gallium-nitrid kristályok előállítása lehetővé tette ennek a vegyületnek a p-típusú vezetőképességének tanulmányozását [5] .

Alkalmazás

Széles körben használják fénykibocsátó diódák , félvezető lézerek , mikrohullámú tranzisztorok létrehozására. [9]

A pn átmenet megvalósításának és az átmeneti réteg indiummal való adalékolásának köszönhetően olcsó és nagy hatékonyságú kék és UV LED-eket [5] lehetett létrehozni , amelyek szobahőmérsékleten hatékonyan sugároznak [10] (ami a lézerhez is szükséges sugárzás) [11] , ez vezetett a nagy teljesítményű kék ​​LED-ek kereskedelmi forgalomba hozatalához és a lila lézerdiódák hosszú élettartamához, valamint nitrid alapú eszközök, például UV-detektorok és nagy sebességű FET-ek kifejlesztéséhez. Az olcsó és nagy hatásfokú, nagy fényerejű InGaN kék LED-ek megalkotása a legújabb volt az elsődleges színű LED-ek fejlesztésében, és ez tette lehetővé a színes LED-képernyők létrehozását [12] . Ezen túlmenően egy kék LED bevonása foszforral , amely a kék sugárzás egy részét visszasugározza a zöld-piros tartományban, lehetővé tette a világítóeszközökben, különféle zseblámpákban, lámpákban és különféle célú lámpákban széles körben használt fehér LED -ek létrehozását. A harmadik csoportba tartozó nitridek (félvezetők) az egyik legígéretesebb anyag az optikai eszközök gyártásához a látható rövidhullámú és UV-tartományban.

1993-ban állították elő az első kísérleti térhatású tranzisztorokat gallium-nitridből [13] . Most ez a terület aktívan fejlődik. A gallium-nitrid ma már ígéretes anyag a nagyfrekvenciás, hőálló és nagy teljesítményű félvezető eszközök létrehozásához [14] . A nagy sávszélesség azt jelenti, hogy a gallium-nitrid tranzisztorok teljesítménye magasabb hőmérsékleten is megmarad, mint a szilícium tranzisztorok [15] . Tekintettel arra, hogy a gallium-nitrid tranzisztorok magasabb hőmérsékleten és feszültségen működnek, mint a gallium-arzenid tranzisztorok , ez az anyag egyre vonzóbb a mikrohullámú teljesítményerősítőkben használt eszközök létrehozásához. Az ezen a félvezetőn alapuló tranzisztorok fontos előnyei a sebesség más technológiákkal - MOSFET és IGBT - készült termékekkel összehasonlítva , valamint a nagy feszültségű munkaképesség és a nagy megbízhatóság [16] . A nagy teljesítményű és nagyfrekvenciás GaN-alapú eszközök potenciális piacai közé tartoznak a mikrohullámú (rádiófrekvenciás teljesítményerősítők ) és az elektromos hálózatok nagyfeszültségű kapcsolókészülékei [17] .

A gallium-nitrid felhasználásának ígéretes iránya a katonai elektronika, különösen a GaN alapú aktív fázisú antennatömb (APAA) szilárdtest adó-vevő moduljai [18] . Európában a GaN-alapú adó-vevő modul (TRM) technológia fejlesztésében és alkalmazásában vezető szerepet tölt be az AFAR-ban az Airbus Defence and Space [19] [20] , amely számos ország haditengerészetének kifejlesztett és kínál új, hajós TRS -t. -4D radar .

Megnövelt ellenállással rendelkezik az ionizáló sugárzással szemben (valamint más félvezető anyagokkal - a III. csoport nitrideivel), ami ígéretes az űrhajók hosszú távú napelemeinek létrehozásához .

A gallium-nitrid az egyik legnépszerűbb és legígéretesebb anyag a modern elektronikában. Az ezen a félvezetőn alapuló technológiák fejlesztése stratégiai jelentőségű olyan iparágak számára, mint a távközlés, az autóipar, az ipari automatizálás és az energiaipar. A vezető iparági elemzők előrejelzései szerint a gallium-nitrid alapú teljesítményelektronika globális piacának éves átlagos növekedési üteme 2024-ig 85% lesz. [21]

A félvezető eszközök gallium-nitridjének szubsztrátumaként zafírt , szilícium -karbidot és gyémántot is használnak . [9]

Biztonság

A gallium-nitrid nem mérgező [22] , de a por irritálja a bőrt, a szemet és a tüdőt. A gallium-nitrid forrása az ipari vállalkozások kibocsátása lehet.

Lásd még

• Schottky dióda
• Epitaxia
  • Molekuláris nyaláb epitaxia

Linkek

• A gallium-nitrid fizikai tulajdonságai // matprop.ru Archivált : 2016. március 4., a Wayback Machine -nél
• Kutolin S. A., Vulikh A. I., Sergeeva A. E.  A gallium-nitrid megszerzésének módja  - A Szovjetunió szerzői bizonyítványa ... 2013. december 12-i archív másolat a Wayback Machine -nél
• Bodnar Dmitrij . A gallium-nitrid a premier a félvezető mikroelektronikai új anyagok között // Komponensek és technológiák №4 '2018

Jegyzetek

1. ↑ T. Harafuji és J. Kawamura. Molekuláris dinamikai szimuláció wurtzit típusú GaN kristály olvadáspontjának értékelésére: Alk. Phys.. - 2004. - S. 2501 . - doi : 10.1063/1.1772878 .
2. ↑ Bougrov V., Levinshtein ME, Rumyantsev SL, Zubrilov A., Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe . Szerk. Levinshtein ME, Rumyantsev SL, Shur MS, John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, 1–30
3. ↑ 1 2 Isamu Akasaki és Hiroshi Amano. A III. csoportba tartozó nitrid félvezetők kristálynövekedésének és vezetőképességének szabályozása és alkalmazása rövid hullámhosszú fénykibocsátókra: Jpn. J. Appl. Phys.. - 1997. - S. 5393-5408 . - doi : 10.1143/JJAP.36.5393 .
4. ↑ Információs híd: DOE Tudományos és Műszaki Információk – 434361. számú dokumentum . Letöltve: 2010. május 3. Archiválva az eredetiből: 2011. május 25. (határozatlan)
5. ↑ 1 2 3 Hiroshi Amano, Masahiro Kito, Kazumasa Hiramatsu és Isamu Akasaki. P-típusú vezetés alacsony energiájú elektronsugaras besugárzással (LEEBI) kezelt Mg-adalékolt GaN-ben: Jpn. J. Appl. Phys.. - 1989. - S. L2112-L2114 . - doi : 10.1143/JJAP.28.L2112 .
6. ↑ Shinji Terao, Motoaki Iwaya, Ryo Nakamura, Satoshi Kamiyama, Hiroshi Amano és Isamu Akasaki. Az AlxGa1-xN/GaN heterostruktúra törése – összetétel- és szennyeződés-függőség. - 2001. - S. L195-L197 . - doi : 10.1143/JJAP.40.L195 .
7. ↑ lbl.gov, blue-light-diodes . Letöltve: 2010. május 3. Az eredetiből archiválva : 2010. október 25. (határozatlan)
8. ↑ H. Amano. Kiváló minőségű GaN film fémszerves gőzfázisú epitaxiális növesztése AlN pufferréteg használatával  : Applied Physics Letters . - 1986. - S. 353 . - doi : 10.1063/1.96549 .  (nem elérhető link)
9. ↑ 1 2 Natalya Bykova A gallium-nitrid váltja fel a szilíciumot. // Szakértő , 2022, 17-18. - Val vel. 68-71
10. ↑ Hiroshi Amano, Tsunemori Asahi és Isamu Akasaki. Stimulált emisszió ultraibolya közelében szobahőmérsékleten a MOVPE által Zafíron termesztett GaN filmből AlN pufferréteg használatával: Jpn. J. Appl. Phys.. - 1990. - S. L205-L206 . - doi : 10.1143/JJAP.29.L205 .
11. ↑ Isamu Akasaki, Hiroshi Amano, Shigetoshi Sota, Hiromitsu Sakai, Toshiyuki Tanaka és Masayoshi Koike. Stimulált emisszió áraminjekcióval egy AlGaN/GaN/GaInN kvantumkút-eszközből: Jpn. J. Appl. Fizikai .. - 1995. - S. L1517-L1519 . - doi : 10.1143/JJAP.34.L1517 .
12. ↑ Morkoç, H. Large-band-gap SiC, III-V nitrid és II-VI ZnSe alapú félvezető eszköz technológiák: Journal of Applied Physics . - 1994. - S. 1363 . - doi : 10.1063/1.358463 .
13. ↑ Asif Khan, M. Fém félvezető térhatású tranzisztor egykristályon alapuló GaN: Applied Physics Letters . - 1993. - S. 1786 . - doi : 10.1063/1.109549 .
14. ↑ Hajime Okumura. A Widegap Semiconductor High-Power Devices jelenlegi állapota és jövőbeli kilátásai: Jpn. J. Appl. Fizikai .. - 2006. - S. 7565–7586 . - doi : 10.1143/JJAP.45.7565 .
15. ↑ Forradalom a félvezető piacon: gallium-nitrid vs szilícium // 2021. november 12.
16. ↑ A gallium-nitrid tranzisztorok használata a villamosenergia-iparban // Elek.ru, 2022. április 5.
17. ↑ Gallium-nitrid – miniforradalom a töltők piacán? Mi az a GaN töltés és hogyan működik? // IXBT.com , 2020. február 22
18. ↑ "A gallium-nitrid alapú modulok új, 180 napos szabványt állítanak be a nagy teljesítményű működéshez." Archiválva : 2021. november 20. a Northrop Grumman Wayback Machine -nél , 2011. április 13.
19. ↑ A Cassidian őrzi vezető pozícióját a legmodernebb radartechnológiában . Letöltve: 2014. augusztus 22. Az eredetiből archiválva : 2014. augusztus 26.. (határozatlan)
20. ↑ TRS-4D Naval Radar Archivált : 2013. január 27.
21. ↑ Megnyílik Moszkvában a gallium-nitrid alapú tranzisztorok első gyártása Oroszországban // 2022.08.05 .
22. ↑ Kutatási eredmények: A gallium-nitrid nem mérgező, biológiailag kompatibilis – ígéretet tesz az orvosbiológiai implantátumokhoz // NC State News :: NC State News and Information . Hozzáférés dátuma: 2012. november 14. Az eredetiből archiválva : 2014. április 29. (határozatlan)