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氮化镓

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氮化镓
首选IUPAC名
Gallium nitride
识别
CAS号 25617-97-4  checkY
PubChem 117559
ChemSpider 105057
SMILES
 
  • [Ga]#N
InChI
 
  • 1/Ga.N/rGaN/c1-2
InChIKey JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI
RTECS LW9640000
性质
化学式 GaN
摩尔质量 83.73 g·mol⁻¹
外观 黄色粉末
密度 6.15 g/cm3
熔点 >2500°C[1]
溶解性（水） 会和水反应
能隙 3.4 eV（300 K, direct） eV
电子迁移率 440 cm2/（V·s，300 K）
热导率 2.3 W/（cm·K，300 K）[2]
折光度n
D 		2.429
结构
晶体结构 纤锌矿
空间群 C6v4-P63mc
晶格常数 a = 3.186 Å, c = 5.186 Å [3]
配位几何 正四面体
危险性
欧盟编号 未列出
闪点 不可燃
相关物质
其他阴离子 磷化镓
砷化镓
锑化镓
其他阳离子 氮化硼
氮化铝
氮化铟
相关化学品 砷化铝镓
砷化铟镓
磷𬬹化镓
氮化铝镓
氮化铟镓
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

氮化镓（GaN、Gallium nitride）是氮和镓的化合物，是一种III族和V族的直接能隙（direct bandgap）的半导体，自1990年起常用在发光二极管中。这种化合物是一种非常坚硬的材料，具有纤锌矿晶体结构。氮化镓的能隙很宽，为3.4电子伏特，可以用在高功率、高速的光电工程中，例如氮化镓可以用在紫光的激光二极管，可以在不使用非线性半导体泵浦固体激光（Diode-pumped solid-state laser）光学频率倍增的条件下，产生紫光（405 nm）激光。

如同其他III族元素的氮化物，氮化镓对电离辐射的敏感性较低，这使得它适合用于人造卫星的太阳能电池阵列。军事的和空间的应用也可能受益，因为氮化镓设备在辐射环境中显示出稳定性[4]。

相比砷化镓（GaAs）晶体管，氮化镓晶体管可以在高得多的温度和电压工作运行，因此它们是理想的微波频率的功率放大器。此外，氮化镓还为THz装置提供了很好的特性。[5]由于具有高功率密度和电压击穿极限，氮化镓也逐渐成为5G蜂窝基站应用的理想候选器件。自2020年代初以来，氮化镓功率晶体管在电子设备电源中的应用越来越多，可将交流市电转换为低压直流电。

物理特性

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氮化镓晶体

氮化镓是一种非常坚硬 (努氏硬度14.21 GPa[6]:4)、机械稳定的宽带隙半导体材料，具有很高的热容量和热导率。[7]尽管蓝宝石或碳化硅的晶格常数不匹配，但在其纯物质形式下，它仍能抵抗裂解，并能以薄膜形式沉积在蓝宝石或碳化硅上。[7]氮化镓可掺杂 (dopping)入硅 (Si) 或氧[8]制成n型，掺入镁 (Mg) 制成p型。[9][10] 然而，硅与镁原子会改变氮化镓晶体的生长方式，产生拉伸应力，使晶体变脆。氮化镓化合物也倾向于具有较高的位错密度，约为每平方公分108到1010个缺陷。[11]

1999年，美国陆军研究实验室（英语：United States Army Research Laboratory） (ARL) 首次测量了氮化镓中的高场电子速度。[12]ARL的科学家通过实验获得了1.9×107 cm/s的峰值稳态速度，在225 kV/cm的电场下，暂态时间为2.5皮秒。根据这些信息，计算出了电子迁移率，从而为氮化镓器件的设计提供了数据。

应用

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发光二极管与激光

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实用性高亮度蓝光LED得益于氮化镓晶体的高效制备技术。基于氮化镓的紫色激光二极管被用于读取蓝光光盘。氮化镓与铟（InGaN）或铝（AlGaN）的混合，其带隙取决于铟或铝与氮化镓的比例，可以制造出颜色从红色到紫外线的发光二极管（LED）[13]。

晶体管和电源集成电路

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GaN高电子迁移率晶体管（由Ferdinand-Braun-Institut制造）
适用于智能手机等消费性电子产品的GaNUSB 供电(USB-PD)壁式充电器

氮化镓晶体管适用于高频率、高电压、高温和高效率的产品。氮化镓HEMT的商业化产品自2006年开始在市场上出现，由于其高效率和高电压操作，在各种无线基础设施应用中立即得到了应用。第二代具有较短栅极长度的器件将用于需要更高频率的电信和航空业产品。[14]

基于氮化镓的MOSFET和MESFET晶体管也具有高功率低损耗的优势，特别适合在汽车和电动汽车中应用[15]。自2008年起，这两种晶体管已可以在硅衬底上制成[15]。高电压（800V）肖特基二极管（SBD）也已经研制成功[15]。

集成的氮化镓电源集成电路具有更高的效率和高功率密度，可以减少包括移动和笔记本电脑充电器、消费电子、计算设备和电动汽车等产品的尺寸、重量和器件数。基于氮化镓的电子产品（不是纯氮化镓）有可能大幅削减能源消耗，不仅是在消费电子产品中，甚至也可以用于公用事业电力传输设施中。

与硅晶体管因电源浪涌而关闭不同，氮化镓晶体管是典型的耗尽模式器件（即当栅极-源极电压为零时开启/阻止）。目前已经有几种方法可用来达到正常关闭（或E模式）的操作，这对于在电力电子中使用很有必要：[16][17]

  • 在栅极下植入氟离子（氟离子的负电荷有利于耗尽沟道）
  • 使用带有AlGaN凹槽的MIS型栅极堆叠
  • 将一个常开GaN晶体管和一个低电压硅MOSFET整合构成的级联对
  • 采用p型层做为在AlGaN/GaN异质结的顶部

雷达

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它们也被用于军事电子设备，如有源电子扫描阵列雷达。[18]

泰雷兹集团于2010年推出了采用GaN技术的Ground Master 400雷达。 2021年，泰雷兹在其雷达系统中投入了超过5万台GaN发射机。[19]

美国陆军资助洛克希德·马丁公司将GaN有源器件技术应用于AN/TPQ-53雷达系统，以取代AN/TPQ-36和AN/TPQ-37两款中程雷达系统。 [20][21] AN/TPQ-53雷达系统旨在侦测、分类、追踪和定位敌方间接火力系统以及无人机系统。 [22] 与AN/TPQ-36和AN/TPQ-37系统相比，AN/TPQ-53雷达系统性能增强、机动性更强、可靠性和可保障性更高、生命周期成本更低，并且机组人员规模更小。[20]

2020年4月8日，萨博集团在JAS 39狮鹫战斗机上测试了其新型GaN设计的AESAX波段雷达。 [23] 萨博公司已提供基于GaN的雷达产品，例如“长颈鹿”雷达、爱立眼雷达系统、“全球眼”雷达和“阿雷西斯”电子战雷达。 [24][25][26][27]萨博集团也为AN/TPS-80（地面/空中目标防御系统）提供主要的子系统、组件和软件。 [28]

印度国防研究及发展组织正在为Su-30MKI战斗机开发基于GaN技术的“维鲁帕赫沙”(Virupaakhsha)雷达。该雷达是HAL公司为“光辉战斗机”开发的Uttam AESA雷达的进一步发展，后者采用了砷化镓(GaAs)技术。 [29][30][31]

土耳其阿瑟尔桑国防工业(Aselsan)公司于2024年5月向土耳其军队交付了第一个基于GaN的土耳其AESA雷达ALP 300-G（英语：ALP 300-G）。 [32]

奈米级

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GaN纳米管和奈米线有望应用于奈米级电子学、光电子学和生化感测领域。 [33][34]

自旋电子学潜力

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当掺杂合适的过渡金属（例如锰）时，GaN是一种很有前景的自旋电子学材料（磁性半导体）。

合成

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块状衬底

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氮化镓晶体可以在750°C、100个大气压的N2压力下，从Na/Ga熔体中生长出来。由于Ga在1000°C以下不会与N2发生反应，因此粉末必须由反应性较高的物质制成，通常采用下列其中一种方法：

2 Ga + 2 NH3 → 2 GaN + 3 H2[35]
Ga2O3 + 2 NH3 → 2 GaN + 3 H2O[36]

氮化镓也可以在900–980 °C、正常大气压力下，将氨气注入熔融镓中合成。[37]

金属有机化合物气相外延生长法

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蓝光的、白光的和紫外光的LED是透过金属有机化合物气相外延生长法 (MOVPE) 技术在工业规模上生长的。[38][39]前体为氨与三甲基镓或三乙基镓，载气为氮气或氢气。生长温度介于800至1100 °C之间。要生长量子阱和其他种类的异质结结构，必须引入三甲基铝和/或三甲基铟。

分子束外延

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在商业上，GaN 晶体可以使用分子束外延或MBE来成长。此制程可进一步修改以降低位错密度。首先，在生长表面施加离子束，以制造奈米级的粗糙度。接着，再将表面抛光。此制程在真空中进行。抛光方法通常使用液态电解质和紫外线照射，以机械方式去除晶圆上的薄氧化层。最近开发的方法则是利用固态聚合物电解质（英语：Polymer electrolytes），这种电解质不含溶剂，抛光前也不需要辐照。[40]

安全性

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氮化镓粉尘对皮肤、眼睛和肺部有刺激作用。 2004年的一篇综述报告了氮化镓源（如三甲基镓和氨）的环境、健康和安全方面以及MOVPE源的工业卫生监测研究。[41]

块状氮化镓无毒的且具有生物相容性的。[42]因此，它可用于生物体内植入物的电极和电子装置。

相关条目

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参考资料

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外部链接

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