Galliumnitrid

Krystalstruktur
__ Ga 3+      __ N 3−
Generel
Efternavn	Galliumnitrid
Forholdsformel	GaN
Kort beskrivelse	gult, lugtfrit fast stof
Eksterne identifikatorer / databaser
CAS -nummer 25617-97-4 EF -nummer 247-129-0 ECHA InfoCard 100.042.830 PubChem 117559 Wikidata Q411713
ejendomme
Molar masse	83,72 g mol −1
Fysisk tilstand	fast
massefylde	6,1 g cm −3
opløselighed	næsten uopløseligt i vand
Sikkerhedsinstruktioner
GHS faremærkning Opmærksomhed H- og P -sætninger H: 317 P: 280
Så vidt muligt og sædvanligt anvendes SI -enheder . Medmindre andet er angivet, gælder de givne data for standardbetingelser .

Galliumnitrid ( GaN ) er en fremstillet af gallium og nitrogen eksisterende III-V halvleder med et stort båndgab (bredt båndgab) i optoelektronikken især til blå og grønt lysemitterende dioder (LED) og som en legeringskomponent ved højelektron -mobilitetstransistorer (HEMT), en type junction field effect transistor (JFET), bruges. Materialet er også velegnet til forskellige sensorapplikationer .

historie

Materialet blev syntetiseret for første gang omkring 1930 og blev først dyrket epitaksielt som et lag i 1969 af Maruska og Tietjen ved hjælp af hydridgasfaseepitakse . 1971 lykkedes Manasevit, Erdmann og Simpson for første gang metal organisk kemisk dampaflejring ( engelsk metal-organisk kemisk dampaflejring , MOCVD) vækst af GaN, hvad der kan betragtes som et vigtigt skridt i den videre udvikling.

ejendomme

GaN krystalliserer fortrinsvis i den ( sekskantede ) wurtzitstruktur , den kubiske zinkblandingsstruktur er ikke stabil.

Forbindelsen opløses langsomt ved varm koncentreret svovlsyre og varm koncentreret natriumhydroxidopløsning , men ikke ved koncentreret saltsyre , salpetersyre og aqua regia . Det er luftbestandigt og, afhængigt af atmosfæren, temperaturen og trykket, nedbrydes ved forhøjede temperaturer til dannelse af molekylært nitrogen og gallium. Uden særlige modforanstaltninger begynder denne nedbrydning i atmosfæren fra ca. 600 ° C.

Fremstilling

Galliumnitrid enkeltkrystal, ca. 3 mm lang

Hovedproblemet i produktionen af ​​GaN-baserede komponenter var og skyldes vanskeligheden ved at producere store enkeltkrystaller fra GaN for at producere GaN- skiver af høj kvalitet af dem. Derfor skal der stadig bruges fremmede substrater, hovedsageligt safir og SiC. Kvaliteten af ​​de (heteroepitaxiale) lag på fremmede substrater blev stærkt forbedret af arbejdet i Akasaki- og Nakamura -grupperne i slutningen af ​​1980'erne. En anden udfordring er p-doping af halvledermaterialet, hvilket er nødvendigt for næsten alle optoelektroniske komponenter. Det blev først opnået af Akasakis gruppe i 1988, og derefter i 1992 af Shuji Nakamura med en modificeret tilgang.

GaN -enkeltkrystaller fremstilles i dag primært ved hjælp af hydrid damp fase epitaxy (Engl. Hydride damp fase epitaxy ) fremstillet, som reklameres over hele verden af ​​en håndfuld virksomheder teknologisk. For det første reagerer gasformigt hydrogenchlorid med flydende gallium ved en temperatur på ca. 880 ° C for at danne galliumchlorid . I en reaktionszone bringes galliumchloridet tæt på en GaN -krystalkerne ved temperaturer mellem 1000 og 1100 ° C. Her reagerer galliumchloridet med ammoniak, der strømmer ind og frigiver hydrogenchlorid til dannelse af krystallinsk galliumnitrid. Under optimale forhold kan HVPE -processen i mellemtiden producere krystaller med en diameter på op til 50 mm og en tykkelse på et par millimeter.

Galliumnitrid fremstilles i laboratoriet ved at reagere gallium med ammoniak ved 1100 ° C.

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

eller fremstillet ved ammonolyse af ammoniumhexafluorogallat ved 900 ° C:

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

Anvendelsesområder

GaN transistor med høj elektronmobilitet fra Ferdinand-Braun-Institut

Dette førte til den første kommercielle blå LED , der blev markedsført af Nichia siden 1993 , og senere til den første blå halvlederlaser (1997, Nichia). Indtil da var blå lysdioder baseret på materialet siliciumcarbid , som er dårligt egnet som en indirekte halvleder til effektiv lysemission. Med en højere andel indium i den aktive zone i GaInN -kvantefilmene er grøn og gul lysemission også mulig. Imidlertid falder effektiviteten af ​​sådanne lysdioder med stigende indiumindhold.

Foruden det fremmede substrat safir , GaN kan nu også fremstilles på siliciumcarbid (SiC) og på silicium (Si). Ud fra et rent teknisk synspunkt, GAN om SiC er fordelagtig til brug inden for effektelektronik grund af den høje varmeledningsevne SiC . I sammenligning med silicium er substratomkostningerne for siliciumcarbid imidlertid betydeligt højere (ca. $ 1000 pr. 4-tommers skive).

De første prototyper af felteffekttransistorer baseret på galliumnitrid med en driftsspænding på op til 600 V kunne bruges i switch-mode strømforsyninger og strømforsyninger i 2012 . De tillader højere koblingsfrekvenser og opnår en højere grad af effektivitet i strømforsyningsenheden end de mere omkostningseffektive siliciumbaserede felteffekttransistorer, der normalt bruges i dette område. GaN er særligt velegnet til højtydende højfrekvente forstærkere , f.eks. Dem, der kræves til basestationerne og infrastrukturen i mobilnetværk , da høje frekvenser kan behandles med høj effekt. I 2017 blev GaN -komponenter brugt i omkring 25% af disse applikationer. Til mindre ydelser som f.eks B. i mobiltelefoner er komponenter fremstillet af GaA'er stadig billigere at fremstille.

De elektriske egenskaber samt modstanden mod varme og stråling giver materialet strategisk betydning for militære og rumlige applikationer. Dette tillader z. B. Virksomhedsovertagelser af producenter blokeres af regeringer, såsom den planlagte overtagelse af Wolfspeed af Infineon i 2016 .

Individuelle beviser

1. ↑ ^{a b c} datablad galliumnitrid fra AlfaAesar, åbnet den 29. januar 2010 ( PDF )(JavaScript kræves) .
2. ↑ ^{a b} datablad galliumnitrid fra Sigma-Aldrich , åbnet den 2. april 2011 ( PDF ).
3. ^ HP Maruska, JJ Tietjen: Paramagnetiske defekter i GaN . I: Appl. Fys. Lett. tape 15 , 1969, s. 327 , doi : 10.1557 / S1092578300001174 (gratis fuld tekst). 
4. ↑ HM Manasevit, FM Erdmann, WI Simpson: Anvendelsen af metal organiske i fremstillingen af halvledermaterialer. IV. Nitriderne af aluminium og gallium . I: J. Electrochem. Soc . tape 118 , nej. 11 , 1971, s. 1864-1868 , doi : 10.1149 / 1.2407853 . 
5. ^ ^{A b} Norbert H. Nickel, Robert K. Willardson, Eicke R. Weber : Hydrogen in Semiconductors II . I: Halvledere og halvmetaller . tape 61 . Academic Pr. Inc., 1999, ISBN 0-12-752170-4 ( begrænset forhåndsvisning i Google Bogsøgning). 
6. ^ Sergey L. Rumyantsev, Michael S. Shur, Michael E. Levinshtein: Materialegenskaber for nitrider: resumé . I: International Journal of High Speed ​​Electronics and Systems . tape 14 , nej. 1 , 2004, ISSN  0129-1564 , s. 1-19 , doi : 10.1142 / S012915640400220X ( PDF ). 
7. ↑ ^{a b} Georg Brauer , i samarbejde med Marianne Baudler og andre. (Red.): Håndbog i forberedende uorganisk kemi . 3. reviderede udgave. tape Jeg . Ferdinand Enke, Stuttgart 1975, ISBN 3-432-02328-6 , s. 861 . 
8. ^ David Manners: Dialog kommer ind på GaN -markedet. Dialog vil starte prøvetagning af GaN-strøm-IC'er i 4. kvartal med en hurtigopladningsadapter, der er fremstillet på TSMCs 650-volts GaN-on-Silicon-procesteknologi. Electronics Weekly, 30. august 2016, tilgås 2. september 2016 . 
9. ^ Karin Schneider: Mindre, lettere og mere effektiv med galliumnitridkomponenter. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, pressemeddelelse fra 7. november 2012 på Informationsdienst Wissenschaft (idw-online.de), adgang 23. august 2015.
10. ↑ ^{a b c} Richard Wilson: 5G indstillet til at vedtage GaN, men militær protektionisme kan ramme udbuddet. Galliumnitrid (GaN) halvlederteknologi ligner at være et centralt element i fremtidige implementeringer af trådløs infrastruktur, herunder 5G. Electronics Weekly , 8. februar 2018, åbnes 14. februar 2018 . 
11. ↑ Diana Goovaerts: GaN Gaining Ground in Mobile Wireless Infrastructure Market. Wireless Week, 27. marts 2017, åbnes 1. april 2017 . 
12. ↑ Paul Mozur, Jane Perlez: Bekymring Vokser i USA Over Kinas Drive Gør Chips. New York Times , 4. februar 2016, åbnede 11. februar 2016 . 
13. ↑ Wolfspeed overtagelse af Infineon mislykkedes. heise online, 17. februar 2017, tilgået 14. februar 2018 . 

litteratur

• Michinobu Tsuda, Motoaki Iwaya, Satoru Kamiyama, Hiroshi Amano, Isamu Akasaki: Metalorganic damp phase epitaxy (MOVPE) af nitridhalvleder med høj væksthastighed, epitaksiale substrater derfra og halvlederanordninger, der anvender dem. Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 2006.
• Tosja K. Zywietz: Termodynamiske og kinetiske egenskaber af galliumnitridoverflader. Berlin 2000, ISBN 978-3-934479-10-4 .
• Sergey L. Rumyantsev, Michael S. Shur, Michael E. Levinshtein: Materialegenskaber for nitrider: resumé . I: International Journal of High Speed ​​Electronics and Systems . tape 14 , nej. 1 , 2004, ISSN  0129-1564 , s. 1-19 , doi : 10.1142 / S012915640400220X ( PDF ). 
• S. Fernández-Garrido, G. Koblmüller, E. Calleja, JS Speck: In situ GaN-dekomponeringsanalyse ved kvadrupol massespektrometri og refleksion af højenergiedelt elektrondiffraktion . I: Journal of Applied Physics . tape 104 , nr. 3 , 2008, s. 033541 , doi : 10.1063 / 1.2968442 ( PDF ). 

Weblinks

• Fysiske data, Ioffe-Institut St.Petersburg, engl.