Основные электронные материалы: Часть 4 - Соединения галлия

1 Введение

Соединения на основе галлия, включая оксид галлия (Ga2O3), арсенид галлия (GaAs) и нитрид галлия (GaN), привлекли значительное внимание в области электронных и полупроводниковых материалов благодаря своим исключительным физическим и химическим свойствам. Эти материалы демонстрируют широкий спектр электрических, оптических и тепловых характеристик, что делает их незаменимыми для передовых технологий.

Оксид галлия (Ga2O3), обладающий сверхширокой полосой пропускания и высоким электрическим полем пробоя, становится перспективным материалом для мощной электроники, ультрафиолетовых фотоприемников и других оптоэлектронных приложений. Между тем арсенид галлия (GaAs), полупроводник с прямой полосой пропускания, обладающий превосходной подвижностью электронов и высокочастотными характеристиками, уже давно является краеугольным камнем в оптоэлектронных устройствах, таких как лазеры, светодиоды и фотоэлектрические элементы. Нитрид галлия (GaN), известный своей широкой полосой пропускания, высокой теплопроводностью и отличной эффективностью, произвел революцию в силовой электронике и высокочастотных системах связи.

Методы синтеза этих материалов - от химического осаждения из паровой фазы и молекулярно-лучевой эпитаксии до инновационных гибридных процессов - играют решающую роль в достижении желаемого качества и производительности кристаллов. Поскольку соединения галлия продолжают стимулировать прогресс в энергетике, оптоэлектронике и сенсорных технологиях, понимание их структуры, свойств и областей применения стало жизненно важным как для исследователей, так и для специалистов отрасли.

В этой статье представлен всеобъемлющий обзор структурных характеристик, физических свойств, методов изготовления и применения Ga2O3, GaAs и GaN, освещены их текущие достижения и перспективы в быстро развивающемся полупроводниковом ландшафте.

2 Оксид галлия (Ga2O3)

Оксид галлия с химической формулой Ga2O3 - это неорганическое соединение с химической формулой Ga2O3. Это широкополосный полупроводник с Eg=4,9 эВ, чьи свойства проводимости и люминесценции давно привлекают внимание. Ga2O3 - прозрачный оксидный полупроводниковый материал с широкими перспективами применения в оптоэлектронных устройствах. Он может использоваться в качестве изолирующего слоя в полупроводниковых материалах на основе Ga, в качестве УФ-фильтра и химического детектора O2.

Рис. 1 Порошок оксида галлия

2.1 Кристаллическая структура оксида галлия

Пять кристаллических структур оксида галлия - это β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 и ε-Ga2O3.

β-Ga2O3, также известный как моноклинный оксид галлия, имеет моноклинную кристаллическую структуру с пространственной группой P21 (a=12,203, b=5,671, c=6,524 и β=105,76). β-Ga2O3 состоит из единиц оксида галлия, которые обладают такими характеристиками, как высокая подвижность электронов, широкий прямой энергетический зазор и хорошая термическая стабильность. В настоящее время β-Ga2O3 в основном используется в области мощных полупроводниковых приборов и оптоэлектронных устройств глубокого ультрафиолетового диапазона.

α-Ga2O3, также известный как тетрагональная кристаллическая система оксида галлия, имеет кристаллическую структуру тетрагональной кристаллической системы с пространственной группой C4V (a=12.22, c=5.86). α-Ga2O3 - превосходный оптический материал с высоким светопропусканием и хорошей коррозионной стойкостью. Он находит широкое применение в таких областях, как оптоэлектроника и оптико-электронная связь.

γ-Ga2O3, также известный как оксид галлия кубической кристаллической системы, имеет кристаллическую структуру кубической системы с пространственной группой Ia3 (a=13,54). γ-Ga2O3 обладает высоким оптическим пропусканием, низкой плотностью дефектов и высокой магнитной проницаемостью, что делает его потенциальным материалом для использования в магнитооптических и УФ-детекторных устройствах.

δ-Ga2O3, также известный как орторомбическая кристаллическая система оксида галлия, имеет орторомбическую кристаллическую структуру с пространственной группой Pnma (a=7,794, b=5,580, c=5,395). δ-Ga2O3 - материал с высокой зоной пропускания, отличными фотоэлектрическими свойствами и хорошей физико-химической стабильностью, имеющий широкий спектр применения.

ε-Ga2O3, также известный как оксид галлия с трипартитной кристаллической системой, имеет кристаллическую структуру трипартитной кристаллической системы с пространственной группой R3c (a=12.170, c=24.812). ε-Ga2O3 - материал с высокой подвижностью носителей и высокой термической стабильностью, и он обладает хорошими свойствами реакции на ультрафиолет. В настоящее время ε-Ga2O3 в основном используется в УФ-детекторах и силовой электронике.

Таблица 1 Сравнение различных структур Ga2O3

2.2 Физические и химические свойства оксида галлия

Ga2O3 может реагировать с газообразным фтором с получением GaF3, а Ga2O3, растворенный в 50% HF, дает продукт GaF3-3H2O. Ga2O3 растворим в слегка горячей разбавленной азотной кислоте, разбавленной соляной кислоте и разбавленной серной кислоте. После прокаливания Ga2O3 не растворяется ни в этих кислотах, ни даже в концентрированной азотной кислоте, ни в водных растворах сильных оснований, и его можно сделать растворимым, только расплавив NaOH, KOH или KHSO4 и K2S2O7 вместе. Хлорид галлия получают плавлением с удвоенным избытком NH4Cl при 250°C. При нагревании докрасна Ga2O3 реагирует с кварцем, образуя стекловидное тело, но при охлаждении новых соединений не образуется. При красном нагревании он также реагирует с глазурованными фарфоровыми тиглями.

При нагревании Ga2O3 может реагировать со многими оксидами металлов. Определена кристаллическая структура галлата M(I)GaO2, полученного реакцией с оксидами щелочных металлов (выше 400 °С), который, подобно Al2O3 и Ln2O3, реагирует с MgO, ZnO, CoO, NiO и CuO с образованием шпинели типа M(II)Ga2O4. Продукт реакции с оксидами трехвалентных металлов, M(III)GaO3, обычно имеет структуру типа халькоцита или граната (например, галлат лантанида LnGaO3). Существуют и более сложные тернарные оксиды. Смешанные оксиды галлия изучались для использования в лазерах, фосфоресценции и люминесцентных материалах. Считается, что люминесцентные свойства солей галлия обусловлены наличием кислородных вакансий. Поскольку FeGaO3 обладает интригующими электромагнитными свойствами (например, пьезоэлектричеством и ферромагнетизмом), его синтез, стабильность и кристаллическая структура были подробно изучены.

Как полупроводниковый материал, оксид галлия имеет сверхширокую запрещенную полосу с напряженностью электрического поля пробоя гораздо выше, чем у других широкополосных полупроводниковых материалов. Он обладает меньшим сопротивлением включения при том же уровне напряжения, что снижает потери энергии. Несмотря на низкую теплопроводность оксида галлия, проблема отвода тепла может быть решена с помощью инкапсуляции и других средств, что способствует стабильной работе устройства при высокой плотности мощности. Устройства на основе оксида галлия также могут работать при более высоких температурах и адаптированы к жестким условиям эксплуатации.

2.3 Подготовка оксида галлия

1. Метод прямого восстановления: Этот метод позволяет получить нитрид галлия путем реакции азота с металлическим галлием, который затем окисляется до оксида галлия в кислороде. Этот метод позволяет получить относительно высокочистый оксид галлия, но процесс сложный, требует высокой температуры и высокого давления, а стоимость производства высока.

2. Методхимического осаждения из паровой фазы: Этот метод позволяет получить высокочистый оксид галлия путем транспортировки газовой смеси в реакционную камеру, где при высокой температуре происходит химическая реакция. В качестве реакционных газов обычно используется трихлорид галлия (GaCl3).

3. Кислотный метод: Этот метод состоит из следующих этапов:

• Окисление: добавьте жидкое сырье в реактор, по каплям добавьте водный раствор и перемешайте, контролируйте температуру на уровне 80-85℃, время реакции 8±1 часов.
• Нейтрализация: Образовавшийся раствор Ga(NO3)3 и GaCl3 подается в реакционный барабан, добавляется аммиак и перемешивается для нейтрализации до pH 7-7,5, температура водяной бани контролируется на уровне 60-70℃.
• Фильтрация: Раствор после реакции нейтрализации фильтруется через фильтровальную ткань для получения осадка гидроксида галлия.
• Промывка: осадок гидроксида галлия промывают 5-6 раз водой высокой чистоты и затем фильтруют.
• Сушка: После промывки гидроксид галлия помещают в сушильный шкаф для высушивания воды, температура сушки составляет 150℃, а время сушки 20±2 часа.
• Обжарка: После сушки, гидроксид галлия помещается в печь для обжарки и обезвоживания, температура обжарки 600-700℃, время обжарки 3±0,5 часа.
• Измельчение: После обжарки, оксид галлия измельчается на кофемолке до получения необходимой сетки.
• Упаковка: Вакуумная упаковка продуктов на склад

2.4 Применение оксида галлия

1. Силовая электроника

Оксид галлия имеет напряженность электрического поля пробоя до 8 МВ/см, что значительно выше, чем у других широкополосных полупроводниковых материалов, что дает ему значительное преимущество в сценариях высоковольтных, высокочастотных и мощных приложений. Он также имеет более низкое сопротивление включения при том же уровне напряжения, что снижает потери энергии и повышает эффективность преобразования энергии. Хотя оксид галлия сам по себе обладает низкой теплопроводностью, проблема отвода тепла может быть решена с помощью инкапсуляции и других средств, что способствует стабильной работе устройства при высоких плотностях мощности. В то же время устройства на основе оксида галлия могут работать при более высоких температурах и адаптироваться к жестким условиям окружающей среды. Поэтому оксид галлия имеет широкие перспективы применения в области силовых электронных устройств, например, в системах привода электродвигателей для электромобилей и высоковольтных системах передачи постоянного тока для интеллектуальных электросетей.

2. Оптоэлектронные устройства

Ультрафиолетовый детектор: Оксид галлия имеет большой потенциал для применения в области оптоэлектроники, он может быть использован для производства высокопроизводительных ультрафиолетовых детекторов с высокой чувствительностью и быстрым откликом. Эти детекторы играют важную роль в экологическом мониторинге, биомедицине и других областях, например, в определении концентрации озона в атмосфере и содержания органических веществ в воде.

Светоизлучающий диод глубокого ультрафиолетового диапазона (LED): Особая структура энергетической полосы материала оксида галлия позволяет ему излучать глубокий ультрафиолетовый свет с более короткой длиной волны и высокой энергией, который обладает более значительным стерилизационным эффектом. Поэтому светодиод глубокого ультрафиолета имеет широкий спектр применения в стерилизации и процессах производства полупроводников, таких как фотолитография.

Рис. 2 Сравнение областей применения SiC, GaN и Ga2O3

3. Сенсор

Особые химические и электрические свойства полупроводникового материала оксида галлия дают ему широкий спектр применения в области сенсоров. Из него можно изготавливать датчики влажности, температуры, газа, давления и другие датчики, отвечающие потребностям различных областей.

4. Другие области применения

Помимо вышеперечисленных областей, полупроводниковый материал на основе оксида галлия находит применение и в других сферах. Например, его можно использовать для изготовления гибких дисплеев, материалов для батарей и так далее. Кроме того, благодаря постоянному прогрессу технологий и снижению стоимости, оксид галлия постепенно расширяет свое применение в области радиочастот, таких как радарные системы, спутниковая связь и беспроводные базовые станции.

3 Арсенид галлия（GaAs）

Арсенид галлия - это неорганическое соединение с химической формулой GaAs, представляющее собой черно-серое твердое вещество с температурой плавления 1 238°C. Он может находиться в воздухе при температуре ниже 600°C и не подвергается воздействию неокисляющих кислот. Он может быть стабилизирован на воздухе при температуре ниже 600°C и не разрушается неокисляющими кислотами. Арсенид галлия - важный полупроводниковый материал. Принадлежит к полупроводниковым соединениям Ⅲ-V. Имеет решетчатую структуру типа сфалерита, постоянная решетки 5,65 × 10-10м, ширина запрещенной зоны 1,4 эВ.

3.1 Кристаллическая структура арсенида галлия

Кристаллическая структура арсенида галлия относится к кубической кристаллической системе, гранецентрированная кубическая (FCC) структура, атомы Ga расположены в вершине гранецентрированной кубической решетки, атомы As расположены в гранецентрированных позициях соседних атомов Ga, атомы Ga и As соединены друг с другом ковалентной связью, благодаря чему арсенид галлия обладает свойствами электронной проводимости. Постоянная решетки кристалла GaAs составляет a=5,6535Å.

Рис. 3 Кристаллическая структура арсенида галлия

3.2 Физико-химические свойства арсенида галлия

GaAs обладает несколько лучшими электронными свойствами, чем Si, что позволяет использовать GaAs на частотах выше 250 ГГц. Если эквивалентные компоненты из GaAs и Si работают на высоких частотах, GaAs создает меньше шума. Кроме того, поскольку GaAs имеет более высокое напряжение коллапса, GaAs лучше подходит для работы с высокой мощностью, чем тот же компонент Si. Благодаря этим характеристикам схемы на GaAs могут использоваться в сотовых телефонах, спутниковой связи, микроволновых линиях "точка-точка", радарных системах и т. д. На основе GaAs изготавливаются диоды Ганна, СВЧ-диоды и диоды Генга для излучения микроволн.

Таблица 2 Физические свойства арсенида галлия

3.3 Получение арсенида галлия

1. Вертикальная градиентная кристаллизация (VGF): это основной процесс для производства пластин GaAs, выращивание монокристаллов в печи вертикальной градиентной кристаллизации, этот метод позволяет получить кристаллы более высокого качества.

2. Метод жидкого инкапсулирования (Liquid Encapsulation Pulling Method, LEC): Метод LEC является основным процессом выращивания нелегированных полуизолированных монокристаллов GaAs, более 80 % полуизолированных монокристаллов GaAs, представленных на рынке, используют этот метод. В методе LEC используются графитовые нагреватели и тигли PBN, B2O3 в качестве жидкого уплотняющего агента, а рост кристаллов осуществляется в среде аргона под давлением 2 МПа. Этот метод позволяет получать кристаллы с высокой надежностью и хорошими полуизоляционными свойствами, однако дозировку химикатов сложнее контролировать, а плотность дислокаций выше.

3. Горизонтальный метод Бриджмена (HB): Этот метод когда-то был основным для массового производства полупроводниковых монокристаллов GaAs, в нем использовались кварцевые лодочки и кварцевые трубки, выращенные при атмосферном давлении. Преимущество метода HB заключается в том, что градиент температуры мал, а плотность дислокаций низка, но при этом трудно выращивать нелегированные, полуизолирующие монокристаллы GaAs, а границы раздела кристаллов имеют D-образную форму, что приводит к нерациональному использованию материалов.

4. Химическое осаждение из паровой фазы (CVD): Тонкие пленки GaAs создаются путем реакции газообразных прекурсоров при высоких температурах, что является одним из наиболее часто используемых методов выращивания высококачественных монокристаллов GaAs.

3.4 Области применения арсенида галлия

1. Микроволновая область: Арсенид галлия широко применяется в микроволновой области, в основном используется в производстве высокочастотных устройств, таких как высокопотенциальные полевые транзисторы (HEMT), низковольтные потенциальные полевые транзисторы (LEMT), биполярные транзисторы, комплементарные металлооксидные полупроводники (CMOS), радиочастотные интегральные схемы переднего фронта и так далее. Эти устройства играют важную роль в системах беспроводной связи и радиолокации.

2. Область оптоэлектроники: арсенид галлия - превосходный материал для фотоэлектрического преобразования, используемый в производстве высокоскоростных полупроводниковых лазеров, энергоэффективных солнечных батарей, фотоприемников и фотоэлектрических переключателей. Благодаря своим прямым характеристикам полосы пропускания, арсенид галлия в области оптоэлектроники особенно заметен, может непосредственно переходить в возбужденное состояние, подходит для производства светодиодов (светоизлучающих диодов) и лазеров, таких как VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), широко используется в волоконно-оптической связи центров обработки данных на коротких расстояниях и TOF распознавания лиц и других технологий.

3. Область связи: В области связи GaAs широко используется в волоконно-оптической связи в оптических приемниках, оптических усилителях, оптических модуляторах и других устройствах. Его высокая частота, высокая подвижность электронов и низкий уровень шума делают его идеальным выбором для волоконно-оптической связи.

4. Область солнечных элементов: GaAs солнечные элементы имеют высокую эффективность фотоэлектрического преобразования и стабильность, и рассматриваются как следующее поколение эффективных материалов солнечных элементов. Высокая эффективность фотоэлектрического преобразования и термическая стабильность делают его широко изучаемым и применяемым в области солнечных элементов.

5. Микроэлектроника: В области микроэлектроники GaAs используется в высокоскоростных схемах, флэш-памяти, силовых транзисторах, планарных оптических решетках и других устройствах. Благодаря высокой подвижности электронов и широкой полосе пропускания он хорошо работает в высокоскоростных электронных устройствах.

4 Нитрид галлия（GaN）

Исследование и применение материала GaN является текущим фронтом глобальных полупроводниковых исследований и горячей точкой, является развитие микроэлектронных устройств, оптоэлектронных устройств, новых полупроводниковых материалов, а также с SiC, алмазом и другими полупроводниковыми материалами, известными как первое поколение Ge, Si полупроводниковых материалов, второе поколение GaAs, InP соединений полупроводниковых материалов после третьего поколения полупроводниковых материалов. Он обладает такими свойствами, как широкая прямая зона пропускания, прочные атомные связи, высокая теплопроводность, хорошая химическая стабильность (почти не разъедается кислотами) и сильная устойчивость к облучению, и имеет широкие перспективы в оптоэлектронике, высокотемпературных мощных устройствах и высокочастотных СВЧ-приборах.

Рис. 4 Порошок нитрида галлия

4.1 Кристаллическая структура нитрида галлия

Нитрид галлия (GaN) - это полупроводниковый материал с кристаллической структурой, состоящей из решетки атомов галлия и азота. Кристаллы нитрида галлия имеют кубическую структуру кристаллической системы, а их ячейки содержат расположение атомов с гексагональной близкорасположенной структурой.

Решетчатую структуру кристаллов нитрида галлия можно описать так: каждый атом галлия окружен четырьмя атомами азота, и четыре атома галлия также окружают каждый атом азота. Эта структура известна как структура сфалерита или спиральная алкеновая структура, которая состоит из чередующегося расположения ковалентных и ионных связей, образованных атомами галлия и азота.

В структуре нитрида галлия атомы азота образуют ковалентные связи с окружающими их атомами галлия, и эти ковалентные связи придают кристаллу стабильную структуру. В то же время атомы азота принимают электроны от атомов галлия, образуя положительные и отрицательные ионы в кристалле нитрида галлия. Такое сочетание ковалентных и ионных связей обеспечивает нитриду галлия хорошую подвижность электронов и оптические свойства.

Кроме того, решетка в кристаллах нитрида галлия часто содержит примесные атомы, такие как кремний, углерод и т. д. Допирование этих примесных атомов может изменять электрические и оптические свойства нитрида галлия, делая его пригодным для различных применений.

Рис. 5 Кристаллическая структура нитрида галлия

4.2 Свойства нитрида галлия

GaN является чрезвычайно стабильным соединением и твердым материалом с высокой температурой плавления около 1700°C. GaN обладает высокой степенью ионизации, которая является самой высокой среди соединений III-V (0,5 или 0,43). При атмосферном давлении кристаллы GaN обычно имеют гексагональную фибриллированную структуру цинкита. В протоячейке четыре атома, а атомный объем примерно в два раза меньше, чем у GaAs. Благодаря своей твердости он является еще одним хорошим материалом для защиты покрытий.

Энергетический зазор и электронная структура: Более широкий энергетический зазор нитрида галлия (около 3,4 эВ) обеспечивает его высокую прозрачность в видимой области, что очень важно для оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды и лазеры. Свойства прямой полосы пропускания означают, что при переходе электронов сохраняется энергия и импульс, что помогает повысить эффективность оптоэлектронных устройств. Электронная структура GaN также определяет его подвижность электронов и свойства переноса носителей, которые имеют решающее значение для скорости и мощности устройства.

Механические свойства: Нитрид галлия обладает высокой твердостью, близкой к твердости сапфира (около 9 по шкале твердости Мооса), что делает его устойчивым к определенным механическим нагрузкам и царапинам. Высокий модуль упругости делает нитрид галлия более упругим и стабильным в применении, способным выдерживать определенную степень внешнего давления и деформации.

Термические свойства: Нитрид галлия обладает превосходной теплопроводностью, которая высока по сравнению с другими полупроводниковыми материалами. Такая высокая теплопроводность позволяет устройствам на основе нитрида галлия эффективно отводить тепло во время работы, уменьшая температурные градиенты и повышая производительность и надежность устройств. Кроме того, относительно небольшой коэффициент теплового расширения нитрида галлия означает, что он менее подвержен изменениям размеров и деформации при изменении температуры, что помогает сохранить структурную стабильность устройства.

Оптические свойства: Нитрид галлия обладает высокой прозрачностью и низким коэффициентом поглощения в видимой области, что позволяет ему эффективно преобразовывать энергию в оптоэлектронных устройствах, таких как светодиоды и лазеры. Высокий коэффициент преломления позволяет нитриду галлия достигать эффективной оптической связи, тем самым увеличивая световую эффективность и выходную мощность оптоэлектронных устройств.

Химическая стабильность: Нитрид галлия обладает хорошей химической стабильностью и устойчив ко многим распространенным химическим реакциям коррозии и окисления, таким как кислоты, щелочи и растворители. Это позволяет нитриду галлия сохранять стабильную работу в различных жестких условиях окружающей среды, таких как высокая температура, высокая влажность и агрессивные газовые среды.

Электронные характеристики: Нитрид галлия обладает превосходной подвижностью электронов, обычно в диапазоне от нескольких сотен до нескольких тысяч см2/(В-с), что обеспечивает ему отличные характеристики в высокочастотной и мощной электронике. Высокая подвижность электронов и высокая скорость дрейфа насыщения позволяют устройствам на основе нитрида галлия иметь низкое сопротивление включения и высокую скорость переключения для высокоскоростных и высокочастотных сценариев применения.

4.3 Подготовка нитрида галлия

Рост материала GaN осуществляется путем химической реакции между Ga, разложенным из TMGa, и NH3 при высокой температуре, с уравнением обратимой реакции:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

Для выращивания GaN требуется определенная температура роста и определенное парциальное давление NH3. Обычно используются такие методы, как традиционный MOCVD (включая APMOCVD и LPMOCVD), MOCVD с усилением плазмы (PE-MOCVD) и MBE с использованием электронного циклотронного резонанса. Необходимая температура и парциальное давление NH3 последовательно снижаются. Исследование показало, что использовалось оборудование AP-MOCVD с горизонтальным реактором и специальными конструктивными изменениями, с использованием отечественного высокочистого TMGa и NH3 в качестве исходных программных материалов, DeZn в качестве источника легирования P-типа, (0001) сапфира с (111) кремнием в качестве подложки с использованием высокочастотного индуктивного нагрева, низкоомного кремния в качестве генератора тепла и высокочистого H2 в качестве газа-носителя для источника МО. Высокочистый N2 использовался для кондиционирования зоны роста. Для качественной характеристики GaN использовались измерения HALL, бикристаллическая дифракция и PL-спектроскопия при комнатной температуре.

4.4 Области применения нитрида галлия

1. Новые электронные устройства

Серия материалов GaN с низкой скоростью тепловыделения и высоким электрическим полем пробоя является важным материалом для разработки высокотемпературных мощных электронных устройств и высокочастотных микроволновых приборов. В настоящее время, благодаря прогрессу технологии MBE в применении материалов GaN и прорыву в ключевых технологиях выращивания тонких пленок, были успешно выращены различные гетероструктуры GaN. Из материалов GaN были получены новые типы устройств, такие как металлические полевые транзисторы (MESFETs), полевые транзисторы с гетеропереходом (HFETs), полевые транзисторы с модуляционным легированием (MODFETs) и т.д. Модуляционно-допированная структура AlGaN/GaN обладает высокой подвижностью электронов (2000 см2/в-с), высокой скоростью насыщения (1 × 107 см/с) и низкой диэлектрической проницаемостью, является для производства СВЧ устройств приоритетным материалом; более широкая запрещенная зона пропускания GaN (3,4 эВ) и сапфира и других материалов для подложки, хорошие показатели теплоотвода, способствующие работе устройства в условиях высокой мощности.

2. Оптоэлектронные устройства

Серия материалов GaN является идеальным материалом для коротковолновых светоизлучающих устройств, а полоса пропускания GaN и его сплавов охватывает спектральный диапазон от красного до ультрафиолетового. С момента разработки в Японии в 1991 году синих светодиодов с гомопереходом на GaN, были представлены сверхъяркие синие светодиоды с двойным гетеропереходом InGaN/AlGaN и светодиоды с одним квантовым ядром InGaN. В настоящее время синие и зеленые светодиоды с одинарным квантовым колодцем GaN Zcd и 6cd вышли на стадию массового производства, тем самым заполнив пробел синих светодиодов на рынке в течение многих лет. Синие светоизлучающие устройства имеют огромный рынок применения в области доступа к информации на оптических дисках высокой плотности, полностью оптических дисплеях и лазерных принтерах. Благодаря продолжающимся исследованиям и разработкам материалов и устройств на основе нитрида Ⅲ, технология сверхвысоких синих и зеленых светодиодов GaInN была коммерциализирована, и теперь крупные мировые компании и исследовательские институты вкладывают значительные средства в то, чтобы вступить в ряды конкурентов по разработке синих светодиодов.

3. Датчики

Нитрид галлия может быть использован для создания высокоточных и чувствительных датчиков давления. Электрические свойства нитрида галлия изменяются при внешнем давлении, и давление может быть измерено путем измерения таких параметров, как сопротивление, емкость или эффект поля. Термические свойства материалов из нитрида галлия позволяют использовать их для изготовления высокотемпературных датчиков. Нитрид галлия обладает отличной стабильностью и теплопроводностью в высокотемпературных средах и может использоваться для производства высокотемпературных датчиков, таких как датчики температуры автомобильных двигателей и датчики высокотемпературного мониторинга процессов. Он также может использоваться для производства газовых датчиков. Поверхность нитрида галлия обладает хорошей химической инертностью и может вступать в специфические химические реакции со многими газами, поэтому его можно использовать для определения концентрации определенных газов, таких как оксиды азота, аммиак и так далее, используя химические свойства его поверхности. Благодаря отличным оптическим свойствам нитрида галлия, его применение в оптических датчиках позволяет проводить высокоточные измерения таких параметров, как интенсивность, длина и направление света. Благодаря специфической модификации биомолекул поверхностью материалов на основе нитрида галлия можно реализовать высокочувствительное и высокоселективное обнаружение биомолекул, таких как ДНК, белки, клетки и т.д.

Рис. 6 Области применения нитрида галлия

5 Заключение

Соединения на основе галлия, включая Ga2O3, GaAs и GaN, представляют собой краеугольный камень современной полупроводниковой технологии благодаря своим замечательным электрическим, оптическим и тепловым свойствам. Каждый материал обладает уникальными достоинствами: Ga2O3 благодаря сверхширокой полосе пропускания и высокому электрическому полю пробоя отлично подходит для мощных и высоковольтных приложений, а GaAs остается ведущим материалом для высокоскоростных и оптоэлектронных устройств благодаря высокой подвижности электронов и прямой полосе пропускания. В то же время GaN изменил силовую электронику и высокочастотные системы связи благодаря своей прочности, эффективности и широкому рабочему диапазону.

Развитие передовых технологий синтеза, таких как химическое осаждение из паровой фазы, молекулярно-лучевая эпитаксия и другие специализированные методы изготовления, позволило точно контролировать качество материала, что открыло путь к инновационным приложениям в различных отраслях. От преобразования энергии и обнаружения ультрафиолетовых лучей до связи 5G и систем возобновляемой энергии - соединения галлия стимулируют технологический прогресс и удовлетворяют растущий спрос на энергоэффективные и высокопроизводительные устройства.

Ожидается, что по мере продолжения исследований и разработок эти материалы будут преодолевать существующие проблемы, такие как терморегулирование и масштабируемость, за счет разработки материалов и интеграции с новыми технологиями. Соединения на основе галлия будут оставаться в авангарде инноваций, обеспечивая будущие достижения в электронике, оптоэлектронике и других областях.

Stanford Advanced Materials (SAM) является ключевым поставщиком высококачественных германиевых материалов, поддерживая эти критически важные приложения надежными материальными решениями.

Читать далее:

Основные электронные материалы: Часть 1 - Кремний

Основные электронные материалы: Часть 2 - Карбид кремния

Основные электронные материалы: Часть 3 - Германий