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 .

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 см ² ) .

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

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

• // matprop.ru от 4 марта 2016 на Wayback Machine
• Кутолин С. А., Вулих А. И., Сергеева А. Е. — Авторское свидетельство СССР … от 12 декабря 2013 на Wayback Machine
• Боднарь Дмитрий . // Компоненты и технологии №4 ’2018

Примечания