Войти
Нитрид галлия (Ga N ) представляет собой двоичную III /V прямую запрещенную зону полупроводник, обычно используемый в светодиодах, поскольку 1990-е гг. Соединение представляет собой очень твердый материал, имеющий кристаллическую структуру вюрцита. Его широкая запрещенная зона 3,4 эВ придает ему особые свойства для приложений в оптоэлектронных, мощных и высокочастотных устройствах. Например, GaN является подложкой, на которой возможны фиолетовые (405 нм) лазерные диоды без использования нелинейно-оптического удвоения частоты.
Его чувствительность к ионизирующему излучению низкая (как и другие группа III нитриды ), что делает его подходящим материалом для массивов солнечных элементов для спутников. Военное и космическое применение также может принести пользу, поскольку устройства показали стабильность в радиационной среде..
Поскольку транзисторы на основе GaN могут работать при гораздо более высоких температурах и работать при гораздо более высоких напряжениях, чем транзисторы на основе арсенида галлия (GaAs), они делают идеальные усилители мощности на сверхвысоких частотах. Кроме того, GaN предлагает многообещающие характеристики для устройств THz. Из-за высокой плотности мощности и пределов пробоя напряжения GaN также становится перспективным кандидатом для приложений сотовых базовых станций 5G.
Кристалл GaN GaN представляет собой очень твердый (12 ± 2 ГПа), механически стабильный полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. В чистом виде он устойчив к растрескиванию и может быть нанесен в виде тонкой пленки на сапфир или карбид кремния, несмотря на несоответствие их постоянных решетки. GaN может быть легирован с кремнием (Si) или с кислородом до n-типа и магнием (Mg) до р-тип. Однако атомы Si и Mg изменяют способ роста кристаллов GaN, создавая растягивающие напряжения и делая их хрупкими. Соединения нитрида галлия также имеют тенденцию иметь высокую плотность дислокаций порядка 10-10 дефектов на квадратный сантиметр. Поведение GaN с широкой запрещенной зоной связано со специфическими изменениями в электронной структуре зон, заполнении заряда и областях химической связи.
U.S. Армейская исследовательская лаборатория (ARL) провела первое измерение скорости высокопольного электрона в GaN в 1999 году. Ученые из ARL экспериментально получили пиковую стационарную скорость, равную 1,9 x 10 см / с, при времени прохождения 2,5 пикосекунды, достигнутом при электрическом поле 225 кВ / см. На основе этой информации была вычислена подвижность электронов, что позволило получить данные для проектирования устройств на основе GaN.
GaN с высоким кристаллическим качеством можно получить путем нанесения буферного слоя при низких температурах. Такое высокое качество GaN привело к открытию GaN p-типа, p-n-переходов синих / УФ- светодиодов и вынужденного излучения при комнатной температуре (необходимого для лазерного воздействия). Это привело к коммерциализации высокоэффективных синих светодиодов и фиолетовых лазерных диодов с длительным сроком службы, а также к разработке устройств на основе нитридов, таких как УФ-детекторы и высокоскоростные полевые транзисторы.
GaN-светодиоды (СИД) высокой яркости дополнили ряд основных цветов и сделали возможными такие применения, как полноцветные светодиодные дисплеи, видимые при дневном свете, белые светодиоды и голубые лазерные устройства. В первых светодиодах высокой яркости на основе GaN использовалась тонкая пленка GaN, осажденная посредством металл-органической парофазной эпитаксии (MOVPE) на сапфире. Другими используемыми подложками являются оксид цинка с несоответствием постоянной решетки всего 2% и карбид кремния (SiC). Нитридные полупроводники III группы в целом признаны одним из наиболее многообещающих семейств полупроводников для создания оптических устройств в видимой коротковолновой и УФ-области.
Очень высокое напряжение пробоя, высокая подвижность электронов и скорость насыщения GaN также сделали его идеальным кандидатом для мощных и высокотемпературные микроволновые приложения, о чем свидетельствует его высокий коэффициент качества Джонсона. Потенциальные рынки для высокомощных / высокочастотных устройств на основе GaN включают микроволновые радиочастотные усилители мощности (например, те, которые используются в высокоскоростной беспроводной передаче данных) и высоковольтные коммутационные аппараты для электрических сетей. Потенциальным массовым применением RF транзисторов на основе GaN является использование в качестве микроволнового источника для микроволновых печей, заменяющих магнетроны, используемые в настоящее время. Большая запрещенная зона означает, что характеристики транзисторов на основе GaN сохраняются до более высоких температур (~ 400 ° C), чем кремниевых транзисторов (~ 150 ° C), поскольку они уменьшают эффекты тепловой генерации носителей заряда, которые присущи любому полупроводнику. Первые полевые полупроводниковые транзисторы из нитрида галлия (GaN MESFET ) были экспериментально продемонстрированы в 1993 году и активно развиваются.
В 2010 году стали общедоступными первые улучшенные GaN-транзисторы. Были доступны только n-канальные транзисторы. Эти устройства были разработаны для замены силовых полевых МОП-транзисторов в приложениях, где скорость переключения или эффективность преобразования мощности имеют решающее значение. Эти транзисторы построены путем выращивания тонкого слоя GaN поверх стандартной кремниевой пластины. Это позволяет полевым транзисторам сохранять стоимость, аналогичную кремниевым силовым полевым МОП-транзисторам, но с превосходными электрическими характеристиками GaN. Другим, казалось бы, жизнеспособным решением для реализации HFET с GaN-каналом в режиме усиления является использование согласованного по решетке четвертичного слоя AlInGaN с приемлемо низким спонтанным рассогласованием по поляризации с GaN.
фиолетовые лазерные диоды на основе GaN используются для чтения дисков Blu-ray. Смесь GaN с In (InGaN ) или Al (AlGaN ) с шириной запрещенной зоны, зависящей от отношения In или Al к GaN, что позволяет изготавливать светодиоды (светодиоды ) с цветами, которые могут меняться от красного до ультрафиолетового.
GaN-транзисторы подходят для высокочастотных, высоковольтных, высокотемпературных и высокоэффективных приложений.
GaN HEMT предлагаются на коммерческой основе с 2006 года и сразу же нашли применение в различных приложениях беспроводной инфраструктуры благодаря своей высокой эффективности и работе при высоком напряжении. Второе поколение устройств с более короткой длиной затвора предназначено для высокочастотных телекоммуникационных и аэрокосмических приложений. Транзисторы на основе
GaN, MOSFET и MESFET также обладают преимуществами, включая более низкие потери в силовая электроника, особенно в автомобилях и электромобилях. С 2008 года их можно формировать на кремниевой подложке. Также были изготовлены высоковольтные (800 В) диоды с барьером Шоттки (SBD).
Электроника на основе GaN (не чистый GaN) может значительно сократить потребление энергии, не только в бытовых приложениях, но даже для передачи энергии коммунальных служб.
В отличие от кремниевых транзисторов, которые отключаются из-за скачков напряжения, транзисторы GaN обычно являются устройствами режима истощения (т.е. включены / резистивные когда напряжение затвор-исток равно нулю). Было предложено несколько методов для достижения нормально выключенного (или E-режима) режима работы, который необходим для использования в силовой электронике:
Они также используются в военной электронике, такой как активная матрица с электронным сканированием радары.
Армия США профинансировала Lockheed Martin на внедрение технологии активных устройств GaN в радиолокационную систему AN / TPQ-53 для замены двух радиолокационных систем средней дальности, AN / TPQ-36 и AN / TPQ-37. Радиолокационная система AN / TPQ-53 была разработана для обнаружения, классификации, отслеживания и определения местоположения систем непрямого огня противника, а также беспилотных воздушных систем. Радиолокационная система AN / TPQ-53 обеспечивала улучшенные характеристики, большую мобильность, повышенную надежность и удобство обслуживания, более низкую стоимость жизненного цикла и меньшую численность экипажа по сравнению с системами AN / TPQ-36 и AN / TPQ-37.
Lockheed Martin установила другие тактические оперативные радары с технологией GaN в 2018 году, включая многоцелевую радарную систему TPS-77, развернутую в Латвии и Румынии. В 2019 году партнер Lockheed Martin ELTA Systems Limited разработал многоцелевой радар ELM-2084 на основе GaN, который мог обнаруживать и отслеживать летательные аппараты и баллистические цели, обеспечивая при этом управление огнем. наведение для перехвата ракет или артиллерии ПВО.
8 апреля 2020 года компания Saab провела испытания своего нового радара AESA X-диапазона, разработанного GaN, на истребителе JAS-39 Gripen. Saab уже предлагает продукты с радаром на основе GaN, такие как радар Giraffe, Erieye, Globaleye и Arexis EW.
Нанотрубки и нанопроволоки из GaN предлагаются для применения в наноразмерной электронике, оптоэлектронике и биохимических измерениях.
При легировании подходящим переходный металл, такой как марганец, GaN является многообещающим материалом спинтроники (магнитные полупроводники ).
Кристаллы GaN могут быть выращены из расплава Na / Ga, выдерживаемого при давлении N 2 в 100 атмосфер и температуре 750 ° C. As Ga не будет реагировать с N 2 ниже 1000 ° C, порошок должен быть изготовлен из чего-то более реактивного, обычно одним из следующих способов:
Нитрид галлия также может быть синтезирован путем введения газообразного аммиака в расплавленный галлий при температуре 900-980 °. C при нормальном атмосферном давлении.
В промышленных масштабах кристаллы GaN могут быть выращены с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии или металлоорганической парофазной эпитаксии. Этот процесс можно дополнительно модифицировать, чтобы уменьшить плотность дислокаций. Сначала на поверхность роста подается ионный пучок, чтобы создать нано-шероховатость. Затем поверхность полируется. Этот процесс происходит в вакууме.
Пыль GaN раздражает кожу, глаза и легкие. В 2004 г. сообщалось об аспектах окружающей среды, здоровья и безопасности источников нитрида галлия (таких как триметилгаллий и аммиак ) и об исследованиях промышленной гигиены источников MOVPE. обзор.
Bulk GaN нетоксичен и биосовместим. Следовательно, его можно использовать в электродах и электронике имплантатов живых организмов.
 | На сайте Wikimedia Commons есть материалы, связанные с Нитрид галлия. |
| NH3. N2H4 | He (N 2)11 | ||||||||||||||||
| Li3N | Be3N2 | BN | β-C 3N4. gC 3N4. CxNy | N2 | NxOy | NF3 | Ne | ||||||||||
| Na3N | Mg3N2 | AlN | Si3N4 | PN. P3N5 | SxNy. SN. S4N4 | NCl 3 | Ar | ||||||||||
| Ca3N2 | ScN | TiN | VN | CrN. | FexNy | Zn3N2 | GaN | Ge3N4 | As | Se | NBr 3 | Kr | |||||
| Sr3N2 | YN | ZrN | NbN | Tc | Ru | Rh | Ag3N | InN | Sn | Sb | Te | NI3 | Xe | ||||
| TaN | WN | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg3N2 | Pb | Po | В | Rn | ||||||
| Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | |||
| ↓ | |||||||||||||||||
| La | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |||||
| Ac | Th | Па | UN | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | Нет | Lr | |||
.
Y (