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氮化鎵

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氮化鎵
首選IUPAC名
Gallium nitride
識別
CAS號 25617-97-4  checkY
PubChem 117559
ChemSpider 105057
SMILES
 
  • [Ga]#N
InChI
 
  • 1/Ga.N/rGaN/c1-2
InChIKey JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI
RTECS LW9640000
性質
化學式 GaN
莫耳質量 83.73 g·mol⁻¹
外觀 黃色粉末
密度 6.15 g/cm3
熔點 >2500°C[1]
溶解性（水） 會和水反應
能隙 3.4 eV（300 K, direct） eV
電子移動率 440 cm2/（V·s，300 K）
熱導率 2.3 W/（cm·K，300 K）[2]
折光度n
D 		2.429
結構
晶體結構 纖鋅礦
空間群 C6v4-P63mc
晶格常數 a = 3.186 Å, c = 5.186 Å [3]
配位幾何 正四面體
危險性
歐盟編號 未列出
閃點 不可燃
相關物質
其他陰離子 磷化鎵
砷化鎵
銻化鎵
其他陽離子 氮化硼
氮化鋁
氮化銦
相關化學品 砷化鋁鎵
砷化銦鎵
磷鉮化鎵
氮化鋁鎵
氮化銦鎵
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種III族和V族的直接能隙（direct bandgap）的半導體，自1990年起常用在發光二極體中。這種化合物是一種非常堅硬的材料，具有纖鋅礦晶體結構。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電工程中，例如氮化鎵可以用在紫光的雷射二極體，可以在不使用非線性半導體泵浦固體雷射（Diode-pumped solid-state laser）光學頻率倍增的條件下，產生紫光（405 nm）雷射。

如同其他III族元素的氮化物，氮化鎵對游離輻射的敏感性較低，這使得它適合用於人造衛星的太陽能電池陣列。軍事的和空間的應用也可能受益，因為氮化鎵設備在輻射環境中顯示出穩定性[4]。

相比砷化鎵（GaAs）電晶體，氮化鎵電晶體可以在高得多的溫度和電壓工作運行，因此它們是理想的微波頻率的功率放大器。此外，氮化鎵還為THz裝置提供了很好的特性。[5]由於具有高功率密度和電壓擊穿極限，氮化鎵也逐漸成為5G蜂窩基站應用的理想候選元件。自2020年代初以來，氮化鎵功率電晶體在電子設備電源中的應用越來越多，可將交流市電轉換為低壓直流電。

物理特性

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氮化鎵晶體

氮化鎵是一種非常堅硬 (努氏硬度14.21 GPa[6]:4)、機械穩定的寬帶隙半導體材料，具有很高的熱容量和熱導率。[7]儘管藍寶石或碳化矽的晶格常數不匹配，但在其純物質形式下，它仍能抵抗裂解，並能以薄膜形式沉積在藍寶石或碳化矽上。[7]氮化鎵可摻雜 (dopping)入矽 (Si) 或氧[8]製成n型，摻入鎂 (Mg) 製成p型。[9][10] 然而，矽與鎂原子會改變氮化鎵晶體的生長方式，產生拉伸應力，使晶體變脆。氮化鎵化合物也傾向於具有較高的位錯密度，約為每平方公分108到1010個缺陷。[11]

1999年，美國陸軍研究實驗室（英語：United States Army Research Laboratory） (ARL) 首次測量了氮化鎵中的高場電子速度。[12]ARL的科學家通過實驗獲得了1.9×107 cm/s的峰值穩態速度，在225 kV/cm的電場下，暫態時間為2.5皮秒。根據這些資訊，計算出了電子遷移率，從而為氮化鎵元件的設計提供了數據。

應用

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發光二極體與雷射

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實用性高亮度藍光LED得益於氮化鎵晶體的高效製備技術。基於氮化鎵的紫色雷射二極體被用於讀取藍光光碟。氮化鎵與銦（InGaN）或鋁（AlGaN）的混合，其帶隙取決於銦或鋁與氮化鎵的比例，可以製造出顏色從紅色到紫外線的發光二極體（LED）[13]。

電晶體和電源積體電路

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GaN高電子移動率電晶體（由Ferdinand-Braun-Institut製造）
適用於智慧型手機等消費性電子產品的GaNUSB 供電(USB-PD)壁式充電器

氮化鎵電晶體適用於高頻率、高電壓、高溫和高效率的產品。氮化鎵HEMT的商業化產品自2006年開始在市場上出現，由於其高效率和高電壓操作，在各種無線基礎設施應用中立即得到了應用。第二代具有較短閘極長度的元件將用於需要更高頻率的電信和航空業產品。[14]

基於氮化鎵的MOSFET和MESFET電晶體也具有高功率低損耗的優勢，特別適合在汽車和電動汽車中應用[15]。自2008年起，這兩種電晶體已可以在矽基板上製成[15]。高電壓（800V）蕭特基二極體（SBD）也已經研製成功[15]。

集成的氮化鎵電源積體電路具有更高的效率和高功率密度，可以減少包括移動和筆記本電腦充電器、消費電子、計算設備和電動汽車等產品的尺寸、重量和元件數。基於氮化鎵的電子產品（不是純氮化鎵）有可能大幅削減能源消耗，不僅是在消費電子產品中，甚至也可以用於公用事業電力傳輸設施中。

與矽電晶體因電源浪涌而關閉不同，氮化鎵電晶體是典型的空乏模式元件（即當閘極-源極電壓為零時開啟/阻止）。目前已經有幾種方法可用來達到正常關閉（或E模式）的操作，這對於在電力電子中使用很有必要：[16][17]

  • 在閘極下植入氟離子（氟離子的負電荷有利於空乏通道）
  • 使用帶有AlGaN凹槽的MIS型閘極堆疊
  • 將一個常開GaN電晶體和一個低電壓矽MOSFET整合構成的級聯對
  • 採用p型層做為在AlGaN/GaN異質接面的頂部

雷達

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它們也被用於軍事電子設備，如主動電子掃描陣列雷達。[18]

泰雷茲集團於2010年推出了採用GaN技術的Ground Master 400雷達。 2021年，泰雷茲在其雷達系統中投入了超過5萬台GaN發射機。[19]

美國陸軍資助洛克希德·馬丁公司將GaN主動元件技術應用於AN/TPQ-53雷達系統，以取代AN/TPQ-36和AN/TPQ-37兩款中程雷達系統。 [20][21] AN/TPQ-53雷達系統旨在偵測、分類、追蹤和定位敵方間接火力系統以及無人機系統。 [22] 與AN/TPQ-36和AN/TPQ-37系統相比，AN/TPQ-53雷達系統性能增強、機動性更強、可靠性和可保障性更高、生命週期成本更低，並且機組人員規模更小。[20]

2020年4月8日，薩博集團在JAS 39獅鷲戰鬥機上測試了其新型GaN設計的AESAX波段雷達。 [23] 薩博公司已提供基於GaN的雷達產品，例如「長頸鹿」雷達、愛立眼雷達系統、「全球眼」雷達和「阿雷西斯」電子戰雷達。 [24][25][26][27]薩博集團也為AN/TPS-80（地面/空中目標防禦系統）提供主要的子系統、組件和軟體。 [28]

印度國防研究及發展組織正在為Su-30MKI戰鬥機開發基於GaN技術的「維魯帕赫沙」(Virupaakhsha)雷達。該雷達是HAL公司為「光輝戰鬥機」開發的Uttam AESA雷達的進一步發展，後者採用了砷化鎵(GaAs)技術。 [29][30][31]

土耳其阿瑟爾桑國防工業(Aselsan)公司於2024年5月向土耳其軍隊交付了第一個基於GaN的土耳其AESA雷達ALP 300-G（英語：ALP 300-G）。 [32]

奈米級

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GaN納米管和奈米線有望應用於奈米級電子學、光電子學和生化感測領域。 [33][34]

自旋電子學潛力

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當摻雜合適的過渡金屬（例如錳）時，GaN是一種很有前景的自旋電子學材料（磁性半導體）。

合成

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塊狀基板

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氮化鎵晶體可以在750°C、100個大氣壓的N2壓力下，從Na/Ga熔體中生長出來。由於Ga在1000°C以下不會與N2發生反應，因此粉末必須由反應性較高的物質製成，通常採用下列其中一種方法：

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

氮化鎵也可以在900–980 °C、正常大氣壓力下，將氨氣注入熔融鎵中合成。[37]

金屬有機化合物氣相磊晶生長法

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藍光的、白光的和紫外光的LED是透過金屬有機化合物氣相磊晶生長法 (MOVPE) 技術在工業規模上生長的。[38][39]前體為氨與三甲基鎵或三乙基鎵，載氣為氮氣或氫氣。生長溫度介於800至1100 °C之間。要生長量子阱和其他種類的異質接面結構，必須引入三甲基鋁和/或三甲基銦。

分子束磊晶

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在商業上，GaN 晶體可以使用分子束磊晶或MBE來成長。此製程可進一步修改以降低位錯密度。首先，在生長表面施加離子束，以製造奈米級的粗糙度。接著，再將表面拋光。此製程在真空中進行。拋光方法通常使用液態電解質和紫外線照射，以機械方式去除晶圓上的薄氧化層。最近開發的方法則是利用固態聚合物電解質（英語：Polymer electrolytes），這種電解質不含溶劑，拋光前也不需要輻照。[40]

安全性

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氮化鎵粉塵對皮膚、眼睛和肺部有刺激作用。 2004年的一篇綜述報告了氮化鎵源（如三甲基鎵和氨）的環境、健康和安全方面以及MOVPE源的工業衛生監測研究。[41]

塊狀氮化鎵無毒的且具有生物相容性的。[42]因此，它可用於生物體內植入物的電極和電子裝置。

相關條目

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參考資料

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外部連結

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