Нитрид галлия

Кристальная структура
__ Ga 3+      __ N 3-
Общий
Фамилия	Нитрид галлия
Формула соотношения	GaN
Краткое описание	желтое, твердое вещество без запаха
Внешние идентификаторы / базы данных
Количество CAS 25617-97-4 Номер ЕС 247-129-0 ECHA InfoCard 100 042 830 PubChem 117559 Викиданные Q411713
характеристики
Молярная масса	83,72 г моль -1
Физическое состояние	твердо
плотность	6,1 г см −3
растворимость	почти не растворим в воде
Инструкции по технике безопасности
Маркировка опасности GHS Опасность H- и P-фразы ЧАС: 317 П: 280
Насколько это возможно и обычно, используются единицы СИ . Если не указано иное, приведенные данные относятся к стандартным условиям .

Нитрид галлия ( GaN ) изготовлен из галлия и азота, существующего полупроводника III-V с большой запрещенной зоной (широкая запрещенная зона ) в оптоэлектронике, особенно для синих и зеленых светоизлучающих диодов (LED), а также в качестве компонента сплава в высокоэлектронном -мобильные транзисторы (HEMT), тип переходного полевого транзистора (JFET). Материал также подходит для различных сенсорных приложений.

история

Этот материал был впервые синтезирован примерно в 1930 году и впервые был выращен эпитаксиально в виде слоя в 1969 году Маруской и Титдженом с использованием гидридной газофазной эпитаксии . 1971 год последовал за Манасевитом, Эрдманном и Симпсоном, впервые после выращивания GaN методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений ( англ. Metal -organic chemical vapour deposition , MOCVD), что можно рассматривать как важный шаг в дальнейшем развитии.

характеристики

GaN преимущественно кристаллизуется в ( гексагональной ) структуре вюрцита , кубическая структура цинковой обманки нестабильна.

Соединение медленно растворяется горячей концентрированной серной кислотой и горячим концентрированным раствором гидроксида натрия , но не концентрированной соляной кислотой , азотной кислотой и царской водкой . Он устойчив к воздуху и, в зависимости от атмосферы, температуры и давления, разлагается при повышенных температурах с образованием молекулярного азота и галлия. Без специальных мер это разложение начинается в атмосфере примерно с 600 ° C.

Производство

Монокристалл нитрида галлия длиной около 3 мм

Основная проблема при производстве компонентов на основе GaN была и остается из-за сложности изготовления крупных монокристаллов из GaN для получения из них высококачественных пластин GaN . Поэтому все же приходится использовать иностранные подложки, в основном сапфир и SiC. Качество (гетероэпитаксиальных) слоев на чужих подложках было значительно улучшено благодаря работам групп Акасаки и Накамура в конце 1980-х годов. Другой проблемой является р-легирование полупроводникового материала, которое необходимо почти для всех оптоэлектронных компонентов. Впервые это было достигнуто группой Акасаки в 1988 году, а затем в 1992 году Сюдзи Накамура с модифицированным подходом.

Монокристаллы GaN в настоящее время производятся в основном с помощью гидридной парофазной эпитаксии (англ. Hydride steam phase epitaxy ), которую технологически продвигают во всем мире горстка компаний. Сначала газообразный хлористый водород реагирует с жидким горячим галлием с температурой около 880 ° C с образованием хлорида галлия . В зоне реакции хлорид галлия приближается к ядру кристалла GaN при температурах от 1000 до 1100 ° C. Здесь хлорид галлия реагирует с поступающим аммиаком , выделяя хлористый водород с образованием кристаллического нитрида галлия. Между тем, в оптимальных условиях процесс HVPE может производить кристаллы диаметром до 50 мм и толщиной до нескольких миллиметров.

Нитрид галлия получают в лаборатории путем реакции галлия с аммиаком при 1100 ° C.

${\ Displaystyle \ mathrm {2 \ Ga + 2 \ NH_ {3} \ longrightarrow 2 \ GaN + 3H_ {2}}}$

или получают путем аммонолизом из hexafluorogallate аммония при температуре 900 ° C:

${\ displaystyle \ mathrm {(NH_ {4}) _ {3} GaF_ {6} +4 \ NH_ {3} \ longrightarrow GaN + 6 \ NH_ {4} F}}$

Области применения

Это привело к появлению первого коммерческого синего светодиода , продаваемого компанией Nichia с 1993 года , а затем и к первому синему полупроводниковому лазеру (1997, Nichia). До этого в основе синих светодиодов использовался карбид кремния , который плохо подходит в качестве непрямого полупроводника для эффективного излучения света. При более высоком содержании индия в активной зоне квантовых пленок GaInN также возможно излучение зеленого и желтого света. Однако эффективность таких светодиодов снижается с увеличением содержания индия.

Помимо сапфира из чужеродной подложки , GaN теперь можно производить на карбиде кремния (SiC) и кремнии (Si). С чисто технической точки зрения GaN на SiC выгоден для использования в области силовой электроники из-за высокой теплопроводности SiC . Однако по сравнению с кремнием стоимость подложки для карбида кремния значительно выше (около 1000 долларов за 4-дюймовую пластину).

Первые прототипы полевых транзисторов на основе нитрида галлия с рабочим напряжением до 600 В могут быть использованы в импульсных источниках питания и источниках питания в 2012 году . Они позволяют использовать более высокие частоты переключения и обеспечивают более высокий КПД блока питания, чем более экономичные кремниевые полевые транзисторы, обычно используемые в этой области. GaN особенно подходит для высокопроизводительных высокочастотных усилителей , таких как усилители , необходимые для базовых станций и инфраструктуры сотовых сетей , поскольку высокие частоты могут обрабатываться с высокой мощностью. В 2017 году компоненты GaN использовались примерно в 25% этих приложений. Для небольших сервисов, таких как Б. В сотовых телефонах компоненты из GaAs по-прежнему дешевле в производстве.

Электрические свойства, а также устойчивость к теплу и излучению также придают материалу стратегическое значение для военных и космических применений. Это позволяет z. Б. Поглощения компаний-производителей блокируются правительствами, например, запланированное поглощение Wolfspeed компанией Infineon в 2016 году .

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^{a b c} техническое описание нитрида галлия от AlfaAesar, по состоянию на 29 января 2010 г. ( PDF )(Требуется JavaScript) .
2. ↑ ^{a b} технический паспорт нитрида галлия от Sigma-Aldrich , по состоянию на 2 апреля 2011 г. ( PDF ).
3. ^ HP Maruska, JJ Tietjen: Парамагнитные дефекты в GaN . В: Прил. Phys. Lett. Лента 15 , 1969, с. 327 , DOI : 10,1557 / S1092578300001174 (бесплатно полный текст). 
4. ↑ HM Manasevit, FM Erdmann, WI Simpson: Использование органических соединений металлов при получении полупроводниковых материалов. IV. Нитриды алюминия и галлия . В: J. Electrochem. Soc . Лента 118 , вып. 11 , 1971, с. 1864-1868 , DOI : 10,1149 / 1,2407853 . 
5. ^ ^{A b} Норберт Х. Никель, Роберт К. Уиллардсон, Эйке Р. Вебер : Водород в полупроводниках II . В кн . : Полупроводники и полуметаллы . Лента 61 . Academic Pr. Inc., 1999, ISBN 0-12-752170-4 ( ограниченная предварительная версия в Поиске книг Google). 
6. ↑ Сергей Л. Румянцев, Михаил С. Шур, Михаил Э. Левинштейн: Материальные свойства нитридов: аннотация . В: Международный журнал высокоскоростной электроники и систем . Лента 14 , вып. 1 , 2004, ISSN  0129-1564 , с. 1-19 , DOI : 10,1142 / S012915640400220X ( PDF ). 
7. ↑ ^{а б} Георг Брауэр , в сотрудничестве с Марианн Бодлер и другими. (Ред.): Справочник по препаративной неорганической химии . 3-е, переработанное издание. Лента Я . Фердинанд Энке, Штутгарт 1975, ISBN 3-432-02328-6 , стр. 861 . 
8. ↑ Дэвид Маннерс: Dialog выходит на рынок GaN. Dialog приступит к отбору образцов силовых ИС на основе GaN в четвертом квартале с помощью адаптера питания для быстрой зарядки, изготовленного по 650-вольтовой технологии GaN-на-кремнии TSMC. Электроника Weekly, 30 августа 2016, доступ к 2 сентября 2016 . 
9. ↑ Карин Шнайдер: Меньше, легче и эффективнее с компонентами из нитрида галлия. Институт систем солнечной энергии им. Фраунгофера ISE, пресс-релиз от 7 ноября 2012 г. от Informationsdienst Wissenschaft (idw-online.de), по состоянию на 23 августа 2015 г.
10. ↑ ^{a b c} Ричард Уилсон: 5G перейдет на GaN, но военный протекционизм может сказаться на поставках. Полупроводниковая технология из нитрида галлия (GaN) выглядит ключевым элементом будущих развертываний беспроводной инфраструктуры, включая 5G. Электроника Weekly , 8 февраля 2018, доступ к 14 февраля 2018 . 
11. ↑ Диана Гувертс: GaN набирает обороты на рынке мобильной беспроводной инфраструктуры. Wireless Week, 27 марта 2017, доступ к 1 апреля 2017 . 
12. ↑ Пол Мозур, Джейн Перлез: В США растет беспокойство по поводу стремления Китая производить чипсы. The New York Times , 4 февраля 2016, доступ к 11 февраля 2016 . 
13. ↑ Поглощение Wolfspeed Infineon провалилось. Heise онлайн, 17 февраля 2017, доступ к 14 февраля 2018 года . 

литература

• Мичинобу Цуда, Мотоаки Ивая, Сатору Камияма, Хироши Амано, Исаму Акасаки: Металлоорганическая парофазная эпитаксия (MOVPE) нитридного полупроводника с высокой скоростью роста, эпитаксиальные подложки из них и полупроводниковые устройства, использующие их. Jpn. Кокай Токкио Кохо, 2006.
• Тося К. Цивиц: Термодинамические и кинетические свойства поверхностей нитрида галлия. Берлин 2000, ISBN 978-3-934479-10-4 .
• Сергей Л. Румянцев, Майкл С. Шур, Михаил Э. Левинштейн: Материальные свойства нитридов: аннотация . В: Международный журнал высокоскоростной электроники и систем . Лента 14 , вып. 1 , 2004, ISSN  0129-1564 , с. 1-19 , DOI : 10,1142 / S012915640400220X ( PDF ). 
• С. Фернандес-Гарридо, Г. Коблмюллер, Э. Каллея, Дж. С. Спек: Анализ разложения GaN in situ с помощью квадрупольной масс-спектрометрии и дифракции электронов высоких энергий на отражение . В кн . : Журнал прикладной физики . Лента 104 , нет. 3 , 2008, с. 033541 , DOI : 10,1063 / 1,2968442 ( PDF ). 

веб ссылки

• Физические данные, Иоффе-Институт, Санкт-Петербург, англ.