Нитрид галлия ( GaN ) — это бинарный полупроводник III / V с прямой запрещенной зоной , который обычно используется в синих светодиодах с 1990-х годов. Это соединение представляет собой очень твердый материал с кристаллической структурой вюрцита . Его широкая запрещенная зона в 3,4 эВ придает ему особые свойства для применения в оптоэлектронике , [9] [10] [11] мощных и высокочастотных устройствах. Например, GaN является подложкой, которая делает возможными фиолетовые (405 нм) лазерные диоды, не требуя нелинейного оптического удвоения частоты .
Его чувствительность к ионизирующему излучению низкая (как и у других нитридов группы III ), что делает его подходящим материалом для солнечных батарей спутников . Военные и космические приложения также могут выиграть, поскольку устройства показали стабильность в условиях высокой радиации . [12]
Поскольку транзисторы GaN могут работать при гораздо более высоких температурах и работать при гораздо более высоких напряжениях, чем транзисторы на основе арсенида галлия (GaAs), они являются идеальными усилителями мощности на микроволновых частотах. Кроме того, GaN предлагает многообещающие характеристики для терагерцовых устройств. [13] Благодаря высокой плотности мощности и пределам пробоя напряжения GaN также становится перспективным кандидатом для применения в базовых станциях сотовой связи 5G. С начала 2020-х годов силовые транзисторы GaN все чаще используются в источниках питания электронного оборудования, преобразуя переменный ток сети в постоянный ток низкого напряжения .
GaN — очень твердый ( твердость по Кнупу 14,21 ГПа [14] : 4 ), механически стабильный широкозонный полупроводниковый материал с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. [15] В чистом виде он устойчив к растрескиванию и может быть нанесен в виде тонкой пленки на сапфир или карбид кремния , несмотря на несоответствие в их постоянных решеток . [15] GaN может быть легирован кремнием (Si) или кислородом [ 16] для n-типа и магнием (Mg) для p-типа . [17] [18] Однако атомы Si и Mg изменяют способ роста кристаллов GaN, внося растягивающие напряжения и делая их хрупкими. [19] Соединения нитрида галлия также имеют тенденцию иметь высокую плотность дислокаций , порядка 10 8 - 10 10 дефектов на квадратный сантиметр. [20]
Исследовательская лаборатория армии США ( ARL) провела первое измерение скорости электронов в сильном поле в GaN в 1999 году. [21] Ученые ARL экспериментально получили пиковую стационарную скорость1,9 × 10 7 см/с , со временем прохождения 2,5 пикосекунды, достигнутым при электрическом поле 225 кВ/см. С помощью этой информации была рассчитана подвижность электронов , что предоставило данные для проектирования устройств GaN.
Один из самых ранних синтезов нитрида галлия был осуществлен в лаборатории Джорджа Герберта Джонса в 1932 году. [22]
Ранний синтез нитрида галлия был осуществлен Робертом Джузой и Гарри Ханом в 1938 году. [23]
GaN с высоким кристаллическим качеством может быть получен путем осаждения буферного слоя при низких температурах. [24] Такой высококачественный GaN привел к открытию p-типа GaN, [17] p–n-перехода синих/УФ- светодиодов [17] и стимулированного излучения при комнатной температуре [25] (необходимого для лазерного действия). [26] Это привело к коммерциализации высокопроизводительных синих светодиодов и долговечных фиолетовых лазерных диодов, а также к разработке устройств на основе нитридов, таких как УФ-детекторы и высокоскоростные полевые транзисторы . [ требуется ссылка ]
Высокояркие светодиоды GaN завершили ряд основных цветов и сделали возможными такие приложения, как полноцветные светодиодные дисплеи, видимые при дневном свете, белые светодиоды и синие лазерные устройства. Первые светодиоды высокой яркости на основе GaN использовали тонкую пленку GaN, нанесенную методом парофазной эпитаксии металлоорганических соединений (MOVPE) на сапфир . Другие используемые подложки - оксид цинка с несоответствием постоянной решетки всего 2% и карбид кремния (SiC). [27] Нитридные полупроводники группы III, в целом, признаны одним из наиболее перспективных семейств полупроводников для изготовления оптических устройств в видимой коротковолновой и УФ-области. [ необходима цитата ]
Очень высокие напряжения пробоя , [28] высокая подвижность электронов и высокая скорость насыщения GaN сделали его идеальным кандидатом для мощных и высокотемпературных микроволновых приложений, о чем свидетельствует его высокое число Джонсона . Потенциальные рынки для мощных/высокочастотных устройств на основе GaN включают микроволновые радиочастотные усилители мощности (например, те, которые используются в высокоскоростной беспроводной передаче данных) и высоковольтные коммутационные устройства для электросетей. Потенциальное массовое применение для радиочастотных транзисторов на основе GaN - это источник микроволн для микроволновых печей , заменяющий магнетроны, используемые в настоящее время. Большая ширина запрещенной зоны означает, что производительность транзисторов GaN сохраняется до более высоких температур (~400 °C [29] ), чем у кремниевых транзисторов (~150 °C [29] ), поскольку это уменьшает эффекты тепловой генерации носителей заряда , которые присущи любому полупроводнику. Первые полевые транзисторы на основе нитрида галлия и металла-полупроводника (GaN MESFET ) были экспериментально продемонстрированы в 1993 году [30] и в настоящее время активно разрабатываются.
В 2010 году первые транзисторы GaN в режиме улучшения стали общедоступными. [31] Были доступны только n-канальные транзисторы. [31] Эти устройства были разработаны для замены силовых МОП-транзисторов в приложениях, где скорость переключения или эффективность преобразования энергии имеют решающее значение. Эти транзисторы изготавливаются путем выращивания тонкого слоя GaN поверх стандартной кремниевой пластины, часто называемой производителями GaN -на-Si . [32] Это позволяет половым транзисторам поддерживать стоимость, аналогичную стоимости кремниевых силовых МОП-транзисторов, но с превосходными электрическими характеристиками GaN. Другим, по-видимому, жизнеспособным решением для реализации HFET GaN-канала в режиме улучшения является использование согласованного по решетке четвертичного слоя AlInGaN с приемлемо низким спонтанным поляризационным несоответствием GaN. [33]
Силовые ИС GaN монолитно интегрируют полевой транзистор GaN, схему управления на основе GaN и защиту схемы в единое устройство поверхностного монтажа. [34] [35] Интеграция означает, что контур управления затвором имеет по существу нулевое сопротивление, что дополнительно повышает эффективность за счет фактического устранения потерь при выключении полевого транзистора. Академические исследования по созданию низковольтных силовых ИС GaN начались в Гонконгском университете науки и технологий (HKUST), и первые устройства были продемонстрированы в 2015 году. Коммерческое производство силовых ИС GaN началось в 2018 году.
В 2016 году была представлена первая GaN КМОП-логика с использованием PMOS и NMOS-транзисторов с длиной затвора 0,5 мкм (ширина затвора PMOS и NMOS-транзисторов составляла 500 мкм и 50 мкм соответственно). [36]
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 соотношения In или Al к GaN, позволяет производить светодиоды (LED ) с цветами от красного до ультрафиолетового. [27]
Транзисторы GaN подходят для высокочастотных, высоковольтных, высокотемпературных и высокоэффективных приложений. [37] [38] GaN эффективен при передаче тока, и это в конечном итоге означает, что меньше энергии теряется на тепло. [39]
GaN транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) предлагаются на рынке с 2006 года и нашли немедленное применение в различных беспроводных инфраструктурных приложениях благодаря своей высокой эффективности и работе при высоком напряжении. Второе поколение устройств с более короткими длинами затворов будет направлено на высокочастотные телекоммуникационные и аэрокосмические приложения. [40]
Полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ) и полевые транзисторы металл-полупроводник ( MESFET ) на основе GaN также обладают преимуществами, включая меньшие потери в электронике высокой мощности, особенно в автомобильной и электромобильной технике. [41] С 2008 года их можно формировать на кремниевой подложке. [41] Также были изготовлены высоковольтные (800 В) диоды с барьером Шоттки (SBD). [41]
Более высокая эффективность и высокая плотность мощности интегрированных силовых ИС на основе GaN позволяют уменьшить размер, вес и количество компонентов в таких приложениях, как зарядные устройства для мобильных телефонов и ноутбуков, бытовая электроника, вычислительное оборудование и электромобили.
Электроника на основе GaN (не чистого GaN) может существенно сократить потребление энергии не только в потребительских приложениях, но даже в системах передачи электроэнергии .
В отличие от кремниевых транзисторов, которые выключаются из-за скачков напряжения, [ необходимо разъяснение ] транзисторы GaN обычно являются устройствами в режиме истощения (т.е. включены / резистивны, 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: [42] [43]
Технология GaN также используется в военной электронике, например, в активных радарах с электронным сканированием . [44]
Thales Group представила радар Ground Master 400 в 2010 году с использованием технологии GaN. В 2021 году Thales ввела в эксплуатацию более 50 000 передатчиков GaN на радарных системах. [45]
Армия США финансировала Lockheed Martin для внедрения технологии активных устройств GaN в радиолокационную систему AN/TPQ-53 для замены двух радиолокационных систем средней дальности, AN/TPQ-36 и AN/TPQ-37 . [46] [47] Радиолокационная система AN/TPQ-53 была разработана для обнаружения, классификации, отслеживания и определения местоположения систем непрямого огня противника, а также беспилотных воздушных систем. [48] Радиолокационная система AN/TPQ-53 обеспечивала улучшенную производительность, большую мобильность, повышенную надежность и удобство поддержки, меньшую стоимость жизненного цикла и меньшую численность экипажа по сравнению с системами AN/TPQ-36 и AN/TPQ-37. [46]
В 2018 году компания Lockheed Martin представила другие тактические оперативные радары с технологией GaN, включая многоцелевую радиолокационную систему TPS-77, развернутую в Латвии и Румынии . [49] В 2019 году партнер компании Lockheed Martin , компания ELTA Systems Limited , разработала многоцелевой радар ELM-2084 на основе GaN, который мог обнаруживать и отслеживать воздушные суда и баллистические цели, а также обеспечивать наведение огня для перехвата ракет или артиллерии ПВО.
8 апреля 2020 года компания Saab провела летные испытания своего нового радара AESA X-диапазона , разработанного на основе GaN, на истребителе JAS-39 Gripen . [50] Saab уже предлагает продукцию с радарами на основе GaN, например, радар Giraffe , Erieye , GlobalEye и Arexis EW. [51] [52] [53] [54] Saab также поставляет основные подсистемы, узлы и программное обеспечение для AN/TPS-80 (G/ATOR) [55]
Организация оборонных исследований и разработок Индии разрабатывает радар Virupaakhsha для Sukhoi Su-30MKI на основе технологии GaN. Радар является дальнейшим развитием радара Uttam AESA для использования на HAL Tejas , который использует технологию GaAs . [56] [57] [58]
Нанотрубки и нанопроволоки GaN предлагаются для применения в наноэлектронике , оптоэлектронике и биохимических сенсорных приложениях. [59] [60]
При легировании подходящим переходным металлом, таким как марганец , GaN становится перспективным материалом для спинтроники ( магнитные полупроводники ). [27]
Кристаллы GaN можно выращивать из расплавленного Na/Ga, находящегося под давлением 100 атмосфер N 2 при температуре 750 °C. Поскольку Ga не реагирует с N 2 при температуре ниже 1000 °C, порошок должен быть изготовлен из чего-то более реакционноспособного, обычно одним из следующих способов:
Нитрид галлия можно также синтезировать путем впрыскивания газообразного аммиака в расплавленный галлий при900–980 °C при нормальном атмосферном давлении. [63]
Синие, белые и ультрафиолетовые светодиоды выращиваются в промышленных масштабах методом MOVPE . [64] [65] Прекурсорами являются аммиак с триметилгаллием или триэтилгаллием , газом-носителем является азот или водород . Диапазон температур выращивания составляет от800 и 1100 °C . Введение триметилалюминия и/или триметилиндия необходимо для выращивания квантовых ям и других видов гетероструктур .
В коммерческих целях кристаллы GaN можно выращивать с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии или парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений . Этот процесс можно дополнительно модифицировать для снижения плотности дислокаций. Сначала на поверхность роста наносится ионный луч для создания наноразмерной шероховатости. Затем поверхность полируется. Этот процесс происходит в вакууме. Методы полировки обычно используют жидкий электролит и УФ-облучение для механического удаления тонкого оксидного слоя с пластины. Были разработаны более поздние методы, в которых используются твердотельные полимерные электролиты , не содержащие растворителей и не требующие облучения перед полировкой. [66]
GaN-пыль раздражает кожу, глаза и легкие. Аспекты окружающей среды, здоровья и безопасности источников нитрида галлия (таких как триметилгаллий и аммиак ) и исследования промышленной гигиены мониторинга источников MOVPE были представлены в обзоре 2004 года. [67]
Объемный GaN нетоксичен и биосовместим . [68] Поэтому его можно использовать в электродах и электронике имплантатов в живых организмах.
устройства обеспечивают меньшие потери при преобразовании энергии и эксплуатационные характеристики, превосходящие традиционные кремниевые аналоги.
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )