氮化鎵
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。此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的激光二極體，可以在不使用非線性半導體泵浦固體激光（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405 nm）激光。
| 氮化鎵 | |
|---|---|
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| IUPAC名 Gallium nitride | |
| 識別 | |
| CAS號 | 25617-97-4 
|
| PubChem | 117559 |
| ChemSpider | 105057 |
| SMILES |
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| InChI |
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| InChIKey | JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI |
| RTECS | LW9640000 |
| 性質 | |
| 化學式 | GaN |
| 摩爾質量 | 83.73 g/mol 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。 | |
如同其他III族元素的氮化物，氮化鎵對電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。
應用
發光二極體與激光
實用性高亮度藍光LED得益於氮化鎵晶體的高效製備技術。基於氮化鎵的紫色激光二極體被用於讀取藍光光盤。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）[5]。
電晶體和電源集成電路
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。[6]
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[7]。自2008年起，這兩種電晶體已可以在矽基板上製成[7]。高電壓（800V）蕭特基二極體（SBD）也已經研製成功[7]。
集成的氮化鎵電源集成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：[8][9]
- 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
- 在AlGaN/GaN異質接面採用p型層做為頂部
雷達
它們也被用於軍事電子設備，如主動電子掃描陣列雷達。[10]
相關條目
參考資料
- ^ T. Harafuji and J. Kawamura. Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal. Appl. Phys. 2004, 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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）.
- ^ 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
- ^ Lidow, Alexander; Witcher, J. Brandon; Smalley, Ken. Enhancement Mode Gallium Nitride (eGaN) FET Characteristics under Long Term Stress (PDF). GOMAC Tech Conference. March 2011 [2016-09-14]. （原始內容存檔 (PDF)於2013-11-07）.
- ^ Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M. Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies. Journal of Applied Physics. 1994, 76 (3): 1363. Bibcode:1994JAP....76.1363M. doi:10.1063/1.358463.
- ^ 2010 IEEE Intl. Symposium, Technical Abstract Book, Session TH3D, pp. 164–165
- ^ 7.0 7.1 7.2 Davis, Sam. SiC and GaN Vie for Slice of the Electric Vehicle Pie. Power Electronics. 2009-11-01 [2016-01-03]. （原始內容存檔於2021-11-20）.
These devices offer lower loss during power conversion and operational characteristics that surpass traditional silicon counterparts.
- ^ Making the new silicon: Gallium nitride electronics could drastically cut energy usage. [2018-06-28]. （原始內容存檔於2021-11-20）.
- ^ Meneghini, Matteo; Hilt, Oliver; Wuerfl, Joachim; Meneghesso, Gaudenzio. Technology and Reliability of Normally-Off GaN HEMTs with p-Type Gate. Energies. 2017-01-25, 10 (2): 153. doi:10.3390/en10020153
（英語）.
- ^ "Gallium Nitride-Based Modules Set New 180-Day Standard For High Power Operation." （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Northrop Grumman, 13 April 2011.
外部連結
- （英文）Ioffe data archive （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）