Azotek galu - Gallium nitride

azotek galu
Nazwy
	Nazwa IUPAC azotek galu
Identyfikatory
Numer CAS
Model 3D ( JSmol )
ChemSpider
Karta informacyjna ECHA	100.042.830
Identyfikator klienta PubChem
UNII
Pulpit nawigacyjny CompTox ( EPA )
	InChI InChI=1S/Ga.N Klucz: JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N ; InChI=1/Ga.N/rGaN/c1-2 Klucz: JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI ;
	UŚMIECH [Ga]#N; [Ga+3].[N-3];
Nieruchomości
Wzór chemiczny	GaN
Masa cząsteczkowa	83,730 g/mol
Wygląd zewnętrzny	żółty proszek
Gęstość	6,1 g / cm 3
Temperatura topnienia	>1600 °C
Rozpuszczalność w wodzie	Nierozpuszczalny
Pasmo wzbronione	3,4 eV (300 K, bezpośrednie)
Mobilność elektronów	1500 cm 2 /(V·s) (300 K)
Przewodność cieplna	1,3 W/(cm·K) (300 K)
Współczynnik załamania ( n D )	2,429
Struktura
Struktura krystaliczna	Wurcyt
Grupa kosmiczna	C 6v 4 - P 6 3 mc
Stała sieciowa	a = 3,186 Å, c = 5,186 Å
Geometria koordynacji	Czworościenny
Termochemia
Standardowa entalpia ; tworzenia (Δ f H ⦵ 298 )	-110.2 kJ/mol
Zagrożenia
Temperatura zapłonu	Nie palne
Związki pokrewne
Inne aniony	Fosforek ; galu ; Arsenek galu Antymonek galu
Inne kationy	Azotek boru Azotek ; glinu Azotek ; indu
Związki pokrewne	Arsenek ; glinowo-galowy ; Arsenek indowo- ; galowy Fosforek arsenku galu Azotek glinowo- galowy Azotek ; indowo-galowy
	O ile nie zaznaczono inaczej, dane podano dla materiałów w ich stanie standardowym (przy 25 °C [77 °F], 100 kPa).
	zweryfikuj ( co to jest ?)
	Referencje do infoboksu

Azotek galu ( Ga N ) jest binarny III / V bezpośredni pasmo wzbronione półprzewodników zwykle stosuje się w niebieskich diod emitujących światło od 1990 roku. Związek jest bardzo twardego materiału, który ma strukturę krystaliczną wurcyt . Jego szerokie pasmo wzbronione wynoszące 3,4 eV zapewnia mu specjalne właściwości do zastosowań w urządzeniach optoelektronicznych , o dużej mocy i wysokiej częstotliwości. Na przykład GaN jest podłożem, które umożliwia użycie fioletowych (405 nm) diod laserowych, bez konieczności nieliniowego podwojenia częstotliwości optycznej .

Jego wrażliwość na promieniowanie jonizujące jest niska (podobnie jak inne azotki grupy III ), co czyni go odpowiednim materiałem na matryce ogniw słonecznych do satelitów . Zastosowania wojskowe i kosmiczne również mogą skorzystać na tym, ponieważ urządzenia wykazały stabilność w środowiskach promieniowania .

Ponieważ tranzystory GaN mogą działać w znacznie wyższych temperaturach i przy znacznie wyższych napięciach niż tranzystory z arsenku galu (GaAs), stanowią idealne wzmacniacze mocy przy częstotliwościach mikrofalowych. Ponadto GaN oferuje obiecujące właściwości dla urządzeń THz . Ze względu na wysoką gęstość mocy i limity przebicia napięcia, GaN staje się również obiecującym kandydatem do zastosowań komórkowych stacji bazowych 5G.

Właściwości fizyczne

kryształ GaN

GaN jest bardzo twardym ( twardość Knoopa 14,21 GPa), stabilnym mechanicznie materiałem półprzewodnikowym o szerokiej przerwie wzbronionej o dużej pojemności cieplnej i przewodności cieplnej. W czystej postaci jest odporny na pękanie i może być osadzony cienką warstwą na szafirze lub węgliku krzemu , pomimo niedopasowania ich stałych sieci . GaN może być domieszkowany z krzemu (Si) lub tlenu do typu n oraz z magnezem (Mg) do typu p . Jednak atomy Si i Mg zmieniają sposób wzrostu kryształów GaN, wprowadzając naprężenia rozciągające i powodując ich kruchość. Galu azotku związki również mają zwykle dużą dyslokacji gęstości, rzędu do 10 ⁸ do 10 ¹⁰ uszkodzeń na centymetr kwadratowy. Zachowanie GaN w szerokiej przerwie wzbronionej jest związane z określonymi zmianami w elektronowej strukturze pasmowej, zajmowaniu ładunku i regionach wiązań chemicznych.

US Army Research Laboratory (ARL) otrzymuje się pierwszy pomiar w silne pole elektronów prędkości w GaN w 1999 naukowcy z ARL doświadczalnie uzyskano pik stanie stacjonarnym szybkość 1.9 x 10 ⁷ cm / s, z tranzytowego czasie 2,5 pikosekundy , osiągnięty przy polu elektrycznym 225 kV/cm. Dzięki tym informacjom obliczono ruchliwość elektronów , dostarczając w ten sposób danych do projektowania urządzeń GaN.

Rozwój

GaN o wysokiej jakości krystalicznej można uzyskać poprzez osadzanie warstwy buforowej w niskich temperaturach. Tak wysokiej jakości GaN doprowadziło do odkrycia GaN typu p, niebieskiego złącza pn/ diod UV- LED i emisji stymulowanej w temperaturze pokojowej (niezbędnej do działania lasera). Doprowadziło to do komercjalizacji wysokowydajnych niebieskich diod LED i fioletowych diod laserowych o długiej żywotności, a także do opracowania urządzeń opartych na azotku, takich jak detektory UV i szybkie tranzystory polowe .

diody LED

Diody elektroluminescencyjne GaN o wysokiej jasności (LED) uzupełniły gamę podstawowych kolorów i umożliwiły takie zastosowania, jak pełnokolorowe wyświetlacze LED widoczne w świetle dziennym, białe diody LED i niebieskie urządzenia laserowe . Pierwsze diody LED o wysokiej jasności oparte na GaN wykorzystywały cienką warstwę GaN osadzoną za pomocą metaloorganicznej epitaksji z fazy gazowej (MOVPE) na szafirze . Inne stosowane podłoża to tlenek cynku , z niedopasowaniem stałej sieci wynoszącej zaledwie 2% oraz węglik krzemu (SiC). Półprzewodniki azotkowe grupy III są ogólnie uznawane za jedną z najbardziej obiecujących rodzin półprzewodników do wytwarzania urządzeń optycznych w zakresie widzialnym krótkofalowym i UV.

Tranzystory GaN i układy scalone zasilania

Bardzo wysokie napięcia przebicia, duża ruchliwość elektronów i prędkość nasycenia GaN sprawiły, że jest on również idealnym kandydatem do zastosowań mikrofalowych o dużej mocy i wysokiej temperaturze, o czym świadczy wysoka wartość Johnsona . Potencjalne rynki dla urządzeń dużej mocy / wysokiej częstotliwości opartych na GaN obejmują mikrofalowe o częstotliwości radiowej wzmacniaczy mocy (takie jak te stosowane w dużych prędkości bezprzewodowej transmisji danych) oraz wysokiego napięcia prądu dla sieci elektroenergetycznych. Potencjalnym zastosowaniem tranzystorów RF opartych na GaN na rynku masowym jest jako źródło mikrofal dla kuchenek mikrofalowych , zastępujące obecnie stosowane magnetrony . Duża przerwa wzbroniona oznacza, że wydajność tranzystorów GaN jest utrzymywana do wyższych temperatur (~400 °C) niż tranzystorów krzemowych (~150 °C), ponieważ zmniejsza skutki termicznego generowania nośników ładunku, które są nieodłączne dla każdego półprzewodnika. Pierwsze półprzewodnikowe tranzystory polowe z azotkiem galu (GaN MESFET ) zostały eksperymentalnie zademonstrowane w 1993 roku i są aktywnie rozwijane.

W 2010 roku pierwsze tranzystory GaN w trybie rozszerzonym stały się powszechnie dostępne. Dostępne były tylko tranzystory n-kanałowe. Urządzenia te zostały zaprojektowane w celu zastąpienia tranzystorów MOSFET mocy w zastosowaniach, w których szybkość przełączania lub wydajność konwersji energii ma kluczowe znaczenie. Tranzystory te są budowane przez nałożenie cienkiej warstwy GaN na standardową płytkę krzemową, często nazywaną przez producentów GaN-on-Si. Pozwala to tranzystorom FET na utrzymanie kosztów podobnych do krzemowych tranzystorów MOSFET, ale z doskonałą wydajnością elektryczną GaN. Innym pozornie realnym rozwiązaniem dla realizacji HFET z kanałem GaN w trybie wzmocnienia jest zastosowanie dopasowanej do sieci czwartorzędowej warstwy AlInGaN o akceptowalnie niskim spontanicznym niedopasowaniu polaryzacji do GaN.

Układy scalone zasilania GaN monolitycznie integrują obwody napędowe GaN FET, oparte na GaN i zabezpieczenia obwodów w jednym urządzeniu do montażu powierzchniowego. Integracja oznacza, że pętla sterowania bramką ma zasadniczo zerową impedancję, co dodatkowo poprawia wydajność, praktycznie eliminując straty podczas wyłączania tranzystorów FET. Badania naukowe nad stworzeniem niskonapięciowych układów zasilania GaN rozpoczęto na Uniwersytecie Nauki i Technologii w Hongkongu (HKUST), a pierwsze urządzenia zademonstrowano w 2015 roku. Komercyjna produkcja układów zasilania GaN rozpoczęła się w 2018 roku.

Logika CMOS

W 2016 roku zgłoszono pierwszą logikę GaN CMOS wykorzystującą tranzystory PMOS i NMOS (o szerokości bramki tranzystorów PMOS i NMOS odpowiednio 500 μm i 50 μm).

Aplikacje

diody LED i lasery

Do odczytu dysków Blu-ray używane są fioletowe diody laserowe na bazie GaN . Mieszanina GaN z In ( InGaN ) lub Al ( AlGaN ) z przerwą wzbronioną zależną od stosunku In lub Al do GaN pozwala na produkcję diod elektroluminescencyjnych ( LED ) o barwie od czerwonej do ultrafioletowej .

Tranzystory i układy scalone mocy

Tranzystory o wysokiej ruchliwości elektronów GaN (produkowane przez Ferdinand-Braun-Institut )

Tranzystory GaN nadają się do zastosowań o wysokiej częstotliwości, wysokim napięciu, wysokiej temperaturze i wysokiej wydajności.

GaN HEMT są oferowane na rynku od 2006 roku i znalazły natychmiastowe zastosowanie w różnych aplikacjach infrastruktury bezprzewodowej ze względu na ich wysoką wydajność i działanie pod wysokim napięciem. Druga generacja urządzeń o krótszych długościach bramki będzie przeznaczona do zastosowań telekomunikacyjnych i kosmicznych o wyższych częstotliwościach.

Tranzystory MOSFET i MESFET oparte na GaN oferują również korzyści, w tym mniejsze straty w elektronice dużej mocy, zwłaszcza w zastosowaniach samochodowych i elektrycznych. Od 2008 roku można je formować na podłożu krzemowym. Wyprodukowano również wysokonapięciowe (800 V) diody barierowe Schottky'ego (SBD).

Wyższa sprawność i wysoka gęstość mocy zintegrowanych układów GaN zasilania pozwala im zmniejszyć rozmiar, wagę i liczbę komponentów aplikacji, w tym ładowarek mobilnych i laptopów, elektroniki użytkowej, sprzętu komputerowego i pojazdów elektrycznych.

Elektronika opartych na GaN (nie czysty GaN) posiada potencjał do znacznej redukcji zużycia energii, nie tylko w zastosowaniach konsumenckich, ale nawet dla przesyłu energii użyteczności .

W przeciwieństwie do tranzystorów krzemowych, które wyłączają się z powodu skoków napięcia, tranzystory GaN są zwykle urządzeniami w trybie wyczerpania (tj. włączone / rezystancyjne, gdy napięcie bramka-źródło wynosi zero). Zaproponowano kilka metod, aby osiągnąć działanie normalnie wyłączone (lub w trybie E), które jest niezbędne do stosowania w energoelektronice:

implantacja jonów fluoru pod bramką (ujemny ładunek jonów F sprzyja zubożeniu kanału)
zastosowanie stosu bramkowego typu MIS, z wnęką AlGaN
integracja kaskadowej pary utworzonej przez normalnie włączony tranzystor GaN i niskonapięciowy krzemowy MOSFET
zastosowanie warstwy typu p na górze heterozłącza AlGaN/GaN

Radary

Są one również wykorzystywane w elektronice wojskowej, takiej jak aktywne, elektronicznie skanowane radary.

Został wprowadzony przez Thales Group w 2010 roku wraz z radarem Ground Master 400 . W 2021 r. Thales uruchomił ponad 50 000 nadajników GaN w systemach radarowych.

Armia amerykańska sfinansowała Lockheed Martin, aby włączyć technologię aktywnego urządzenia GaN do systemu radarowego AN/TPQ-53 w celu zastąpienia dwóch systemów radarowych średniego zasięgu, AN/TPQ-36 i AN/TPQ-37 . System radarowy AN/TPQ-53 został zaprojektowany do wykrywania, klasyfikowania, śledzenia i lokalizacji systemów ognia pośredniego przeciwnika, a także bezzałogowych systemów latających. System radarowy AN/TPQ-53 zapewniał lepsze osiągi, większą mobilność, zwiększoną niezawodność i łatwość obsługi, niższy koszt cyklu życia i mniejszą liczebność załogi w porównaniu z systemami AN/TPQ-36 i AN/TPQ-37.

Lockheed Martin w 2018 roku wyposażył inne taktyczne radary operacyjne z technologią GaN, w tym wielozadaniowy system radarowy TPS-77 rozmieszczony na Łotwie i w Rumunii . W 2019 r. partner Lockheed Martin, ELTA Systems Limited , opracował wielozadaniowy radar ELM-2084 oparty na GaN, który był w stanie wykrywać i śledzić statki powietrzne oraz cele balistyczne, zapewniając jednocześnie wskazówki kontroli ognia w celu przechwycenia pocisków lub artylerii obrony przeciwlotniczej.

8 kwietnia 2020 r. Saab przetestował swój nowy radar AESA w paśmie X zaprojektowany przez GaN w myśliwcu JAS-39 Gripen . Saab oferuje już produkty z radarami opartymi na GaN, takie jak radar Giraffe , Erieye , GlobalEye i Arexis EW. Saab dostarcza również główne podsystemy, zespoły i oprogramowanie dla AN/TPS-80 (G/ATOR)

Nanoskala

Nanorurki i nanoprzewody GaN są proponowane do zastosowań w elektronice w nanoskali , optoelektronice i zastosowaniach biochemicznych.

Potencjał spintroniki

Domieszkowany odpowiednim metalem przejściowym, takim jak mangan , GaN jest obiecującym materiałem spintronicznym ( półprzewodniki magnetyczne ).

Synteza

Podłoża sypkie

Kryształy GaN można hodować z roztopionego stopu Na / Ga utrzymywane pod ciśnieniem 100 atmosfer N ₂ w temperaturze 750 ° C. Jako GA nie reaguje z N ₂ poniżej 1000 ° C, proszek może być wykonana z czymś więcej aktywnych, zazwyczaj w jednym z następujących sposobów:

2 Ga + 2 NH ₃ → 2 GaN + 3 H ₂

Ga ₂ O ₃ + 2 NH ₃ → 2 GaN + 3 H ₂ O

Azotek galu można również zsyntetyzować przez wstrzyknięcie gazowego amoniaku do stopionego galu w temperaturze 900-980 °C przy normalnym ciśnieniu atmosferycznym.

Epitaksja wiązki molekularnej

Komercyjnie kryształy GaN można hodować przy użyciu epitaksji z wiązki molekularnej lub metaloorganicznej epitaksji z fazy gazowej . Proces ten można dalej modyfikować w celu zmniejszenia gęstości dyslokacji. Najpierw na powierzchnię wzrostu nakładana jest wiązka jonów w celu uzyskania chropowatości w nanoskali. Następnie powierzchnia jest polerowana. Proces ten odbywa się w próżni. Metody polerowania zazwyczaj wykorzystują ciekły elektrolit i promieniowanie UV, aby umożliwić mechaniczne usunięcie cienkiej warstwy tlenku z płytki. Opracowano nowsze metody, które wykorzystują elektrolity polimerowe w stanie stałym, które nie zawierają rozpuszczalników i nie wymagają naświetlania przed polerowaniem.

Bezpieczeństwo

Pył GaN działa drażniąco na skórę, oczy i płuca. Aspekty środowiskowe, zdrowotne i bezpieczeństwa źródeł azotku galu (takich jak trimetylogal i amoniak ) oraz badania monitoringu higieny przemysłowej źródeł MOVPE zostały opisane w przeglądzie z 2004 roku.

Bulk GaN jest nietoksyczny i biokompatybilny. Dlatego może być stosowany w elektrodach i elektronice implantów w organizmach żywych.