Нитрид галлия ( Ga N ) представляет собой бинарный полупроводник с прямой запрещенной зоной III / V , широко используемый в синих светодиодах с 1990-х годов. Соединение представляет собой очень твердый материал с кристаллической структурой вюрцита . Широкая запрещенная зона 3,4 эВ придает ему особые свойства для применения в оптоэлектронных , [8] [9] мощных и высокочастотных устройствах. Например, GaN является подложкой, которая делает возможным создание фиолетовых (405 нм) лазерных диодов без необходимости нелинейного оптического удвоения частоты .
Его чувствительность к ионизирующему излучению низкая (как и у других нитридов группы III ), что делает его подходящим материалом для матриц солнечных батарей для спутников . Военные и космические приложения также могут выиграть, поскольку устройства продемонстрировали стабильность в условиях высокой радиации . [10]
Поскольку GaN-транзисторы 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 ТГц устройств. [11] Из-за высокой плотности мощности и пределов пробоя по напряжению GaN также становится многообещающим кандидатом для применения в базовых станциях сотовой связи 5G. С начала 2020-х годов силовые GaN-транзисторы стали все чаще использоваться в источниках питания электронного оборудования, преобразуя сетевое электричество переменного тока в низковольтное постоянное напряжение .
GaN — очень твердый ( твердость по Кнупу 14,21 ГПа [12] :4 ), механически стабильный широкозонный полупроводниковый материал с высокой теплоемкостью и теплопроводностью. [13] В чистом виде он устойчив к растрескиванию и может наноситься тонкой пленкой на сапфир или карбид кремния , несмотря на несоответствие их постоянных решетки . [13] GaN может быть легирован кремнием (Si) или кислородом [14] до n-типа и магнием (Mg) до p - типа . [15] [16] Однако атомы Si и Mg изменяют способ роста кристаллов GaN, создавая растягивающие напряжения и делая их хрупкими. [17] Соединения нитрида галлия также имеют тенденцию иметь высокую плотность дислокаций , порядка от 10 8 до 10 10 дефектов на квадратный сантиметр. [18]
Исследовательская лаборатория армии США (ARL) провела первое измерение скорости электронов в сильном поле в GaN в 1999 году. [19] Ученые из ARL экспериментально получили пиковую стационарную скорость,1,9 × 10 7 см/с со временем прохождения 2,5 пикосекунды, достигнутое при электрическом поле 225 кВ/см. С помощью этой информации была рассчитана подвижность электронов , что дало данные для проектирования устройств на основе GaN.
Один из первых синтезов нитрида галлия был осуществлен в лаборатории Джорджа Герберта Джонса в 1932 году. [20]
Ранний синтез нитрида галлия был осуществлен Робертом Джузой и Гарри Ханом в 1938 году. [21]
GaN с высоким кристаллическим качеством можно получить путем нанесения буферного слоя при низких температурах. [22] Столь высокое качество GaN привело к открытию GaN p-типа, [15] синих/УФ- светодиодов с p–n-переходом [15] и стимулированного излучения при комнатной температуре [23] (необходимого для лазерного воздействия). [24] 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 . [ нужна цитата ]
GaN-светодиоды (СИД) высокой яркости дополнили линейку основных цветов и сделали возможными такие применения, как полноцветные светодиодные дисплеи, видимые при дневном свете, белые светодиоды и синие лазерные устройства. В первых светодиодах высокой яркости на основе GaN использовалась тонкая пленка GaN, нанесенная методом газофазной эпитаксии из металлорганических соединений (MOVPE) на сапфир . Другими используемыми подложками являются оксид цинка с несоответствием постоянной решетки всего 2% и карбид кремния (SiC). [25] Нитридные полупроводники III группы в целом признаны одним из наиболее перспективных семейств полупроводников для изготовления оптических устройств видимого коротковолнового и УФ-диапазона. [ нужна цитата ]
Очень высокие напряжения пробоя , [26] высокая подвижность электронов и скорость насыщения GaN также сделали его идеальным кандидатом для мощных и высокотемпературных микроволновых применений, о чем свидетельствует его высокая добротность Джонсона . Потенциальные рынки для мощных/высокочастотных устройств на основе GaN включают усилители мощности СВЧ -радиочастот (например, те, которые используются в высокоскоростной беспроводной передаче данных) и высоковольтные коммутационные устройства для электрических сетей. Потенциальным применением ВЧ- транзисторов на основе GaN на массовом рынке является источник микроволнового излучения для микроволновых печей , заменяющий используемые в настоящее время магнетроны . Большая запрещенная зона означает, что характеристики GaN-транзисторов сохраняются до более высоких температур (~ 400 °C [27] ), чем у кремниевых транзисторов (~ 150 °C [27] ), поскольку уменьшаются эффекты тепловой генерации носителей заряда , которые присущи любому полупроводнику. Первые металл-полупроводниковые полевые транзисторы на основе нитрида галлия (GaN MESFET ) были экспериментально продемонстрированы в 1993 году [28] и активно разрабатываются.
В 2010 году стали общедоступными первые GaN-транзисторы улучшенного режима . [29] Были доступны только n-канальные транзисторы. [29] 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, которую производители часто называют GaN-on-Si. [30] Это позволяет полевым транзисторам сохранять затраты, аналогичные силовым кремниевым МОП-транзисторам, но с превосходными электрическими характеристиками, как у GaN. Другим, казалось бы, жизнеспособным решением для реализации HFET-транзисторов с GaN-каналом в улучшенном режиме является использование согласованного по решетке четверного слоя AlInGaN с приемлемо низким спонтанным поляризационным рассогласованием по отношению к GaN. [31]
Силовые ИС GaN монолитно объединяют GaN FET, схему управления на основе GaN и защиту схемы в одном устройстве для поверхностного монтажа. [32] [33] Интеграция означает, что контур управления затвором имеет практически нулевой импеданс, что еще больше повышает эффективность за счет практически устранения потерь при выключении полевого транзистора. Академические исследования по созданию низковольтных силовых ИС на основе GaN начались в Гонконгском университете науки и технологий (HKUST), а первые устройства были продемонстрированы в 2015 году. Коммерческое производство силовых ИС на основе GaN началось в 2018 году.
В 2016 году сообщалось о первой GaN- КМОП-логике 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). [34]
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 изготавливать светодиоды ( СИД ) с цветами, которые могут переходить от красного до ультрафиолетового. . [25]
GaN-транзисторы подходят для высокочастотных, высоковольтных, высокотемпературных и высокоэффективных применений. [ нужна цитация ] GaN эффективен при передаче тока, и это в конечном итоге означает, что меньше энергии теряется на тепло. [35]
GaN -транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT) коммерчески предлагаются с 2006 года и сразу же нашли применение в различных приложениях беспроводной инфраструктуры благодаря своей высокой эффективности и работе при высоком напряжении. Второе поколение устройств с более короткими длинами затворов будет предназначено для высокочастотных телекоммуникационных и аэрокосмических приложений. [36]
Транзисторы металл-оксид-полупроводник на основе GaN (MOSFET) и металл-полупроводниковый полевой транзистор (MESFET) также обладают преимуществами, включая меньшие потери в мощной электронике, особенно в автомобилях и электромобилях. [37] С 2008 года их можно формировать на кремниевой подложке. [37] Также производятся высоковольтные (800 В) диоды с барьером Шоттки (SBD). [37]
Более высокая эффективность и высокая удельная мощность интегрированных силовых ИС GaN позволяют им уменьшить размер, вес и количество компонентов приложений, включая зарядные устройства для мобильных устройств и ноутбуков, бытовую электронику, вычислительное оборудование и электромобили.
Электроника на основе GaN (а не чистого GaN) может значительно сократить потребление энергии не только в потребительских приложениях, но даже в коммунальных предприятиях по передаче электроэнергии .
В отличие от кремниевых транзисторов, которые отключаются из-за скачков напряжения, GaN-транзисторы обычно представляют собой устройства в режиме истощения (т.е. включены/резистивны, когда напряжение затвор-исток равно нулю). Было предложено несколько методов для достижения нормально выключенного (или E-режима), что необходимо для использования в силовой электронике: [38] [39]
Они также используются в военной электронике, такой как радары с активной решеткой с электронным сканированием . [40]
В 2010 году Thales Group представила радар Ground Master 400 , использующий технологию GaN. В 2021 году Thales ввела в эксплуатацию более 50 000 GaN-передатчиков на радиолокационных системах. [41]
Армия США профинансировала Lockheed Martin для включения технологии активных устройств GaN в радиолокационную систему AN/TPQ-53 для замены двух радиолокационных систем средней дальности, AN/TPQ-36 и AN/TPQ-37 . [42] [43] Радиолокационная система AN/TPQ-53 была разработана для обнаружения, классификации, отслеживания и определения местоположения вражеских систем непрямой наводки, а также беспилотных авиационных систем. [44] Радиолокационная система AN/TPQ-53 обеспечила улучшенные характеристики, большую мобильность, повышенную надежность и удобство обслуживания, более низкую стоимость жизненного цикла и уменьшенную численность экипажа по сравнению с системами AN/TPQ-36 и AN/TPQ-37. [42]
В 2018 году компания Lockheed Martin представила и другие тактические оперативные радары с технологией GaN, в том числе многоцелевую радиолокационную систему TPS-77, развернутую в Латвии и Румынии . [45] В 2019 году партнер Lockheed Martin, компания ELTA Systems Limited , разработала многоцелевой радар ELM-2084 на основе GaN , который способен обнаруживать и отслеживать воздушные суда и баллистические цели, одновременно обеспечивая управление огнем для перехвата ракет или артиллерии ПВО.
8 апреля 2020 года компания Saab провела испытания нового радара X-диапазона AESA , разработанного GaN , на истребителе JAS-39 Gripen . [46] Saab уже предлагает продукты с радарами на основе GaN, такие как радар Giraffe , Erieye , GlobalEye и Arexis EW. [47] [48] [49] [50] Saab также поставляет основные подсистемы, узлы и программное обеспечение для AN/TPS-80 (G/ATOR) [51]
Нанотрубки и нанопровода GaN предлагаются для применения в наноразмерной электронике , оптоэлектронике и биохимическом зондировании. [52] [53]
При легировании подходящим переходным металлом, таким как марганец , GaN становится многообещающим материалом для спинтроники ( магнитные полупроводники ). [25]
Кристаллы GaN можно вырастить из расплавленного расплава Na/Ga, выдерживаемого под давлением N 2 100 атмосфер и температуре 750 °C. Поскольку Ga не будет реагировать с N 2 при температуре ниже 1000 °C, порошок должен быть изготовлен из чего-то более реакционноспособного, обычно одним из следующих способов:
Нитрид галлия также можно синтезировать путем введения газообразного аммиака в расплавленный галлий при900–980 °С при нормальном атмосферном давлении. [56]
Синие, белые и ультрафиолетовые светодиоды выращиваются в промышленных масштабах методом MOVPE . [57] [58] Прекурсорами являются аммиак с триметилгаллием или триэтилгаллием , газом-носителем является азот или водород . Температура роста колеблется между800 и 1100 °С . Введение триметилалюминия и/или триметилиндия необходимо для выращивания квантовых ям и других видов гетероструктур .
В промышленных масштабах кристаллы GaN можно выращивать с использованием молекулярно-лучевой эпитаксии или газофазной эпитаксии из металлорганических соединений . Этот процесс можно дополнительно модифицировать для уменьшения плотности дислокаций. Сначала на поверхность роста наносится ионный луч, чтобы создать наноразмерную шероховатость. Затем поверхность полируется. Этот процесс происходит в вакууме. В методах полировки обычно используется жидкий электролит и УФ-облучение, чтобы обеспечить механическое удаление 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. [59]
Пыль GaN раздражает кожу, глаза и легкие. Аспекты окружающей среды, здоровья и безопасности источников нитрида галлия (таких как триметилгаллий и аммиак ) и исследования по мониторингу промышленной гигиены источников MOVPE были представлены в обзоре 2004 года. [60]
Массовый GaN нетоксичен и биосовместим . [61] Таким образом, его можно использовать в электродах и электронике имплантатов живых организмов.
[62]
Эти 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 ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )[1]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )