|
Нитрид галлия
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, а также в мощных и высокочастотных полупроводниковых приборах. Физические свойстваПри 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.[3] 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[3]. При легировании кремнием, либо кислородом приобретает электронный тип проводимости. При легировании магнием становится полупроводником с дырочным типом проводимости[4][5]. Но атомы кремния и магния, внедряясь в кристаллическую решётку GaN искажают её, что вызывает механическое растяжение кристаллической решётки и придаёт монокристаллам хрупкость[6] — плёнки нитрида галлия, как правило, имеют высокую поверхностную концентрацию дислокаций (от 100 млн до 10 млрд на см2)[7]. СинтезКристаллы нитрида галлия выращивают прямым синтезом из элементов и при давлении 100 атм в атмосфере азота 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):
Порошок нитрида галлия можно также получить из химически более активных веществ:
Кристаллический нитрид галлия высокого качества может быть получен при низкой температуре методом осаждения из парогазовой фазы на AlN — буферном слое[8]. Получение кристаллов нитрида галлия высокого качества позволило изучить проводимость p-типа данного соединения[5]. ПрименениеШироко используется для создания светодиодов, полупроводниковых лазеров, сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов.[9] Благодаря реализации p-n-перехода и легирования переходного слоя индием, удалось создать недорогие и высокоэффективные синие и УФ светодиоды[5], эффективно излучающие при комнатной температуре[10] (что необходимо в том числе для лазерного излучения)[11], 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[12]. 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[13]. Сейчас эта область активно развивается. Сейчас нитрид галлия является перспективным материалом для создания высокочастотных, теплостойких и мощных полупроводниковых приборов[14]. Большая ширина запрещённой зоны означает, что работоспособность транзисторов из нитрида галлия сохраняется при более высоких температурах, по сравнению с кремниевыми транзисторами[15]. 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[16]. Потенциальные рынки для высокомощных и высокочастотных приборов на основе GaN включают в себя СВЧ (радиочастотные усилители мощности) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей[17]. Перспективным направлением использованием нитрида галлия является военная электроника, в частности, твердотельные приёмопередающие модули активной фазированной антенной решётки (АФАР) на основе GaN[18]. В Европе лидером в разработке и применении в АФАР технологии приёмопередающих модулей (ППМ) на основе GaN является компания Airbus Defence and Space[19][20], 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 %.[21] В качестве подложки для нитрида галлия в полупроводниковых приборах используется сапфир, карбид кремния, а также алмаз.[9] БезопасностьНитрид галлия является нетоксичным веществом[22], но его пыль вызывает раздражение кожи, глаз и лёгких. Источниками нитрида галлия могут быть выбросы промышленных предприятий. См. такжеСсылки
Примечания
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
