نیترید گالیم

Gallium nitride
	نام‌گذاری آیوپاک Gallium nitride
شناساگرها
شماره ثبت سی‌ای‌اس	۲۵۶۱۷-۹۷-۴
پاب‌کم	۱۱۷۵۵۹
کم‌اسپایدر	۱۰۵۰۵۷
شمارهٔ آرتی‌ئی‌سی‌اس	LW9640000
جی‌مول-تصاویر سه بعدی	Image 1
	SMILES [Ga]#N ;
	InChI InChI=1S/Ga.N ; Key: JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N InChI=1/Ga.N/rGaN/c1-۲; Key: JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI;
خصوصیات
فرمول مولکولی	GaN
جرم مولی	83.73 g/mol
شکل ظاهری	yellow powder
چگالی	6.15 g/cm3
دمای ذوب	>۲۵۰۰ °C
انحلال‌پذیری در آب	Reacts.
نوار ممنوعه	3.4 eV (300 K direct)
تحرک‌پذیری	440 cm2/(V·s) (300 K)
رسانندگی گرمایی	2.3 W/(cm·K) (300 K)
ضریب شکست (nD)	2.429
ساختار
ساختار بلوری	ساختار ورتزیت
گروه فضایی	C6v4-P63mc
ثابت شبکه	a = 3.186 Å, c = 5.186 Å
موقعیت; هندسی	Hexagonal
خطرات
شاخص ئی‌یو	Not listed
نقطه اشتعال
ترکیبات مرتبط
دیگر آنیون‌ها	گالیم فسفین; گالیم آرسنید; گالیم آنتیمونید
دیگر کاتیون‌ها	نیترید بور; آلومینیم نیترید; نیترید ایندیم
ترکیبات مرتبط	Aluminium gallium arsenide; Indium gallium arsenide; فسفید آرسنید گالیم; Aluminium gallium nitride; Indium gallium nitride
	به استثنای جایی که اشاره شده‌است در غیر این صورت، داده‌ها برای مواد به وضعیت استانداردشان داده شده‌اند (در 25 °C (۷۷ °F)، ۱۰۰ kPa)
	(بررسی) (چیست: /؟)
	Infobox references

نیترید گالیم (به انگلیسی: Gallium nitride) با فرمول شیمیایی GaN یک ترکیب شیمیایی با شناسه پاب‌کم ۱۱۷۵۵۹ است؛ که جرم مولی آن ۸۳٫۷۳ گِرم بر مول می‌باشد. شکل ظاهری این ترکیب، پودر زرد است. گالیوم نیترید (GaN) یک ترکیب دوتایی نیم‌رسانا گروه III-V با کافِ نواریِ مستقیم است که به منظور استفاده در دیودهای نورگسیل از سال ۱۹۹۰ به کار گرفته شده است. این ترکیب بسیار سخت دارای یک ساختار بلوری ورتزایت (Wurtzite) است. این ساختار دارای کاف انرژی ۳٫۴ الکترون ولت است. ویژگی‌های منحصر بفرد این ماده به آن جازه به‌کارگیری در صنعت اپتوالکترونیک^[۴]^[۵] دستگاه‌های توان-بالا فرکانس-بالا را می‌دهد.

حساسیت این ماده به تابش یونیزه‌کننده کم بوده (همانند نیتریدهای گروه سه دیگر) که منجر به مناسب بودن این ماده برای استفاده در سلول‌های خورشیدی ماهواره‌های فضایی می‌شود. این ماده به علت داشتن پایداری بالا در برابر فضاهای تابشی می‌تواند کاربردهای دیگری در تجهیزات نظامی و فضایی داشته باشد.^[۶]

ترانزیستورهای بر پایه گالیوم نیترید قابلیت مقاومت در برابر دما و ولتاژ را دارند که نسبت به ترانزیستورهای گالیوم آرسنیدی بهتر بوده. این ترانزیستورها توان ایده ال در فرکانس ریزموج هستند. همین‌طور ویژگی‌های مناسبی در ناحیه تراهرتز THz از خود نشان می‌دهند

ویژگی‌های فیزیکی

گالیوم نیترید دارای سختی بالا حدود 2GPa ۱۲± است. ماده نیم‌رسانا با گاف بالا با پایداری مکانیکی بالا است که دارای رسانش دمایی و ظرفیت حرارتی بالایی است. این ماده در حالت خالص خود با ترک خوردن مقاومت می‌کند و می‌توان بر روی سافایر، سیلیکون کاربید لایه نشانی شود. به خارج از میسمچ‌هایی که در ثابت شبکه دارند. با دوپ کردن سیلیکون و اکسیژن در گالیوم نیترید می‌توان نوع اِن (n-type) این ماده را به‌دست آورد و همین‌طور برای نوع پی (p-type) منیزیوم را می‌توان وارد کرد. لازم به‌ذکر است که وارد کردن ناخالصی‌هایی چون سیلیس یا منیزیوم ساختار شبکه را تغییر داده که منجر به شکسته شدن این بلور می‌شود. ترکیبات گالیوم نیتریدی دارای جابجاشدگی بالا در حدود 10⁸ تا 10¹⁰ بر سانتی‌متر مربع هستند.

علت رفتار گاف باندی پهن این ماده بر بارهای مخصوصی که الکترون‌های آن در ساختار باند الکترونی و باندهای شیمیایی که دارد، است.

توسعه

لایه نازک گالیوم نیترید را به صورت تک‌بلور می‌توان بر روی لایه‌های بافر در دمای پایین مربوط به خودش رشد داد. این لایه‌های تک‌بلوری با کیفیت، منجر به رشد لایه‌های گالیوم نیترید نوع پی شد که درنهایت امکان ساخت دیودهای نورگسیل آبی و فرابنفش میسر شد. بعد از این اتفاق قطعات الکترونیکی نورگسیل آبی، لیزرهای بنفش و آشکارسازهای یو-وی در اشل صنعتی به تولید رسیدند.

دیودهای نورگسیل

شفافیت بالای دیودهای نورگسیل گالیوم نیتریدی بازهٔ رنگ‌های دیگر را کامل می‌کند. به طوری که امکان ساخت صفحه‌های نمایش که تمام رنگ‌ها را به ما می‌دهند را برای ما میسر کرده و همچنین دیودهای نورگسیل سفید و لیزرهای آبی. اولین دیود نورگسیل بر پایه گالیوم نیترید با روش رشد لایه نازک MOVPE بر روی سافایر انجام شد. زیرلایه‌های دیگر چون اکسید زینک با تطابقی که ثابت شبکه ای که در حدود ۲ درصد دارد با گالیون نیترید و سیلیکون کاربید مورد استفاده قرار می‌گیرند. نی‌رساناهای نیترید گروه سه کلا به عنوان مطمئن‌ترین نیم‌رسانا برای ساخت قطعات اپتیکی در ناحیه فرابنفش، مرئی و مادون قرمز هستند.

ترانزیستورها

ولتاژ شکست بالا، تحرک‌پذیری الکترونی بالا و سرعت اشباع بالای که این ماده دارد، آن را یک کاندید قوی برای استفاده در ناحیه ریزموج توان بالا و دما بالا کرده است. از جمله کاربردهای دیگری که این ماده دراد می‌توان به قطعات توان و فرکانس بالای ریزموج رادیو فرکانس تشدیدکننده توان و کلیدهای ولتاژ بالا نام برد. ترانزیستورهای گالیوم نیتریدی در اشل صنعی هم می‌تواند جایگزین خوبی باشد برای منبع ریزموج فرهای ماکروویو به‌جای مگنترون‌های موجود در بازار.

پهنای باندی بالای این ماده اجازه می‌دهد که ترانزیستورها تولید شده در دماهای بالاتری چون ۴۰۰ درجه کار کنند که بیشتر از دمای کاری در ترانزیستورهای سیلیکونی(۱۵۰ درجه) است. این اتفاق به دلیل حرکت حامل‌های باری است که هر نیم‌رسانا دارد. اولین ماسفت گالیوم نیتریدی در سال ۱۹۹۳ ساخته شد.

کاربردها

دیودهای نورگسیل

از لیزرهای دیودی بنفش ساخته شده بر پایه گالیوم نیترید برای خواندن دیسک‌های بلو-رِی استفاده می‌شود و همچنین با وارد کردن ناخالصی‌هایی مانند ایندیوم و آلومینیوم می‌توان از این ماده دیودهای نورگسیل با طیف نوری از قرمز تا فرابنفش ساخت.^[۷]

ترانزیستورها

HEMT بر پایه گالیوم نیترید از سال ۲۰۰۶ به صورت صنعتی به تولید رسیده و در سیستم بی‌سیم به دلیل بازده بالا و تاون کار در ولتاژهای بالایی که دارند و در آینده در صنعت هوایی و مخابرات کاربردهای قابل توجهی را خواهند داشت. ترانزیستورهای ماسفت و مسفت گالیوم نیتریدی برای لایه پایین که دارند در قطعات الکترونیک توان بالا در صنعت اتومبیل و ماشین‌های برقی به کار گرفته شدند و از سال ۲۰۰۸ این قطعات بر روی زیرلایه‌های سیلیکونی ساخته می‌شوند؛ و همچنین دیود شات کی ولتاژ بالا.

یکی دیگر از کاربردهای این قطعات در رادارهای آرایه ای است.

نانو

نانو میله و نانو ریسمان‌های گالیوم نیتریدی به ما این موقعیت را می‌دهد که قطعات الکترونیکی در ابعاد نانو را تولید کرد.

اسپینترونیک

با وارد کردن ناخالصی‌های منگنز به گالیوم نیترید می‌توان ویژگی‌های اسپینترونیکی خوبی را از این ماده گرفت.

سنتز

بلورهای گالیوم نیترید را ضرب کردن Na/Ga تحت فشار ۱۰۰ اتمسفر گاز N2 در دمای ۷۵۰ درجه به‌دست می‌آیند. به دلیل اینکه گالیوم با N2 زیر دمای ۱۰۰۰ درجه واکنش نشان نمی‌دهد برای تولید پودر این ماده از گازهای دیگر استفاده می‌شو.

گالیوم نیترید را می‌توان با تزریق آمونیا در یون مذاب گالیوم در دمای ۹۰۰ تا ۹۸۰ درجه در فشار اتمسفر به‌دست آورد.

روش‌های رشد لایه تک‌بلور

امروزه در صنعت الکترونیک برای رشد قطعات بر پایه گالیوم نیترید از روش‌هایی چون MBE و MOCND استفاده می‌شود.

جستارهای وابسته

منابع

↑ T. Harafuji and J. Kawamura (2004). "Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal". Appl. Phys. 96 (5): 2501. doi:10.1063/1.1772878.
↑ Mion, Christian. "Investigation of the Thermal Properties of Gallium Nitride Using the Three Omega Technique." Diss. North Carolina State University. Raleigh, 2005. Web, Aug 12, 2011. http://repository.lib.ncsu.edu/ir/bitstream/1840.16/5418/1/etd.pdf.
↑ Bougrov V. , Levinshtein M.E. , Rumyantsev S.L. , Zubrilov A. , in Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe. Eds. Levinshtein M.E. , Rumyantsev S.L. , Shur M.S. , John Wiley & Sons, Inc. , New York, 2001, 1–30
↑ Di Carlo, A. (2001). "Tuning Optical Properties of GaN-Based Nanostructures by Charge Screening". Physica Status Solidi A. 183 (1): 81–85. Bibcode:2001PSSAR.183...81D. doi:10.1002/1521-396X(200101)183:1<81::AID-PSSA81>3.0.CO;2-N.
↑ Arakawa, Y. (2002). "Progress in GaN-based quantum dots for optoelectronics applications". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 8 (4): 823–832. Bibcode:2002IJSTQ...8..823A. doi:10.1109/JSTQE.2002.801675.
↑ Lidow, Alexander; Witcher, J. Brandon; Smalley, Ken (March 2011). "Enhancement Mode Gallium Nitride (eGaN) FET Characteristics under Long Term Stress" (PDF). GOMAC Tech Conference.
↑ Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M. (1994). "Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies". Journal of Applied Physics. 76 (3): 1363. Bibcode:1994JAP....76.1363M. doi:10.1063/1.358463.

«IUPAC GOLD BOOK». دریافت‌شده در ۱۸ مارس ۲۰۱۲.

[melting-1] T. Harafuji and J. Kawamura (2004). "Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal". Appl. Phys. 96 (5): 2501. doi:10.1063/1.1772878.

[2] Mion, Christian. "Investigation of the Thermal Properties of Gallium Nitride Using the Three Omega Technique." Diss. North Carolina State University. Raleigh, 2005. Web, Aug 12, 2011. http://repository.lib.ncsu.edu/ir/bitstream/1840.16/5418/1/etd.pdf.

[3] Bougrov V. , Levinshtein M.E. , Rumyantsev S.L. , Zubrilov A. , in Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe. Eds. Levinshtein M.E. , Rumyantsev S.L. , Shur M.S. , John Wiley & Sons, Inc. , New York, 2001, 1–30

[4] Di Carlo, A. (2001). "Tuning Optical Properties of GaN-Based Nanostructures by Charge Screening". Physica Status Solidi A. 183 (1): 81–85. Bibcode:2001PSSAR.183...81D. doi:10.1002/1521-396X(200101)183:1<81::AID-PSSA81>3.0.CO;2-N.

[5] Arakawa, Y. (2002). "Progress in GaN-based quantum dots for optoelectronics applications". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 8 (4): 823–832. Bibcode:2002IJSTQ...8..823A. doi:10.1109/JSTQE.2002.801675.

[6] Lidow, Alexander; Witcher, J. Brandon; Smalley, Ken (March 2011). "Enhancement Mode Gallium Nitride (eGaN) FET Characteristics under Long Term Stress" (PDF). GOMAC Tech Conference.

[review-7] Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M. (1994). "Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies". Journal of Applied Physics. 76 (3): 1363. Bibcode:1994JAP....76.1363M. doi:10.1063/1.358463.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]