Русская Википедия:Нитрид галлия
Шаблон:Значения Шаблон:Вещество 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).
Используется в качестве полупроводникового материала для изготовления оптоэлектронных приборов ультрафиолетового диапазона; с 1990 года начал широко использоваться в светодиодах. 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.[1]
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[1]. При легировании кремнием, либо кислородом приобретает электронный тип проводимости. При легировании магнием становится полупроводником с дырочным типом проводимости[2][3]. Но атомы кремния и магния, внедряясь в кристаллическую решётку GaN искажают её, что вызывает механическое растяжение кристаллической решётки и придаёт монокристаллам хрупкость[4] — плёнки нитрида галлия, как правило, имеют высокую поверхностную концентрацию дислокаций (от 100 млн до 10 млрд на см2)[5].
Синтез
Кристаллы нитрида галлия выращивают прямым синтезом из элементов <chem>N</chem> и <chem>Ga</chem> при давлении 100 атм в атмосфере азота <chem>N2</chem> 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):
- <chem>2 Ga + N2 -> 2 GaN</chem>.
Порошок нитрида галлия можно также получить из химически более активных веществ:
- <chem>2 Ga + 2NH3 -> 2 GaN + 3 H2 ^</chem>,
- <chem>Ga2O3 + 2 NH3 -> 2 GaN + 3H2O</chem>.
Кристаллический нитрид галлия высокого качества может быть получен при низкой температуре методом осаждения из парогазовой фазы на AlN — буферном слое[6]. Получение кристаллов нитрида галлия высокого качества позволило изучить проводимость p-типа данного соединения[3].
Применение
Шаблон:Также Широко используется для создания светодиодов, полупроводниковых лазеров, сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов.[7]
Благодаря реализации p-n-перехода и легирования переходного слоя индием, удалось создать недорогие и высокоэффективные синие и УФ светодиоды[3], эффективно излучающие при комнатной температуре[8] (что необходимо в том числе для лазерного излучения)[9], 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[10]. 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[11]. Сейчас эта область активно развивается. Сейчас нитрид галлия является перспективным материалом для создания высокочастотных, теплостойких и мощных полупроводниковых приборов[12]. Большая ширина запрещённой зоны означает, что работоспособность транзисторов из нитрида галлия сохраняется при более высоких температурах, по сравнению с кремниевыми транзисторами[13]. 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[14]. Потенциальные рынки для высокомощных и высокочастотных приборов на основе GaN включают в себя СВЧ (радиочастотные усилители мощности) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей[15].
Перспективным направлением использованием нитрида галлия является военная электроника, в частности, твердотельные приёмопередающие модули активной фазированной антенной решётки (АФАР) на основе GaN[16]. В Европе лидером в разработке и применении в АФАР технологии приёмопередающих модулей (ППМ) на основе GaN является компания Airbus Defence and Space[17][18], 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 %.[19]
В качестве подложки для нитрида галлия в полупроводниковых приборах используется сапфир, карбид кремния, а также алмаз.[7]
Безопасность
Нитрид галлия является нетоксичным веществом[20], но его пыль вызывает раздражение кожи, глаз и лёгких. Источниками нитрида галлия могут быть выбросы промышленных предприятий.
См. также
Ссылки
- Физические свойства нитрида галлия // matprop.ru Шаблон:Wayback
- Кутолин С. А., Вулих А. И., Сергеева А. Е. Способ получения нитрида галлия — Авторское свидетельство СССР… Шаблон:Wayback
- Боднарь Дмитрий. Нитрид галлия — премьер среди новых материалов полупроводниковой микроэлектроники // Компоненты и технологии №4 ’2018
Примечания
- ↑ 1,0 1,1 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ 3,0 3,1 3,2 Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:СтатьяШаблон:Недоступная ссылка
- ↑ 7,0 7,1 Наталья Быкова Нитрид галлия идёт на смену кремнию. // Эксперт, 2022, № 17-18. — с. 68-71
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Шаблон:Статья
- ↑ Революция на рынке полупроводников: нитрид галлия против кремния // 12 ноября, 2021
- ↑ Применение транзисторов на нитриде галлия в электроэнергетике // Элек.ру, 5 апреля 2022
- ↑ Нитрид галлия — мини-революция на рынке зарядных устройств? Что такое и как работает GaN-зарядка? // IXBT.com, 22 февраля 2020
- ↑ «Gallium Nitride-Based Modules Set New 180-Day Standard For High Power Operation.» Шаблон:Wayback Northrop Grumman, 13 April 2011.
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ TRS-4D Naval Radar Шаблон:Webarchive
- ↑ Первое в России производство транзисторов на основе нитрида галлия откроют в Москве // 5.08.2022
- ↑ Шаблон:Cite web
