Wesentliche elektronische Materialien: Teil 4 - Gallium-Verbindungen

1 Einleitung

Verbindungen auf Galliumbasis, einschließlich Galliumoxid (Ga2O3), Galliumarsenid (GaAs) und Galliumnitrid (GaN), haben aufgrund ihrer außergewöhnlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit im Bereich der Elektronik- und Halbleitermaterialien erlangt. Diese Materialien weisen eine Vielzahl von elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften auf, die sie für fortschrittliche Technologien unverzichtbar machen.

Galliumoxid (Ga2O3) mit seiner extrem breiten Bandlücke und seinem hohen elektrischen Durchbruchsfeld entwickelt sich zu einem vielversprechenden Material für Hochleistungselektronik, Ultraviolett-Photodetektoren und andere optoelektronische Anwendungen. Galliumarsenid (GaAs), ein Halbleiter mit direkter Bandlücke und hervorragender Elektronenbeweglichkeit und Hochfrequenzleistung, ist seit langem ein Eckpfeiler in optoelektronischen Geräten wie Lasern, LEDs und photovoltaischen Zellen. Galliumnitrid (GaN), das für seine große Bandlücke, seine hohe Wärmeleitfähigkeit und seinen hervorragenden Wirkungsgrad bekannt ist, hat die Leistungselektronik und Hochfrequenzkommunikationssysteme revolutioniert.

Die Synthesetechniken für diese Materialien - von der chemischen Gasphasenabscheidung über die Molekularstrahlepitaxie bis hin zu innovativen Hybridverfahren - spielen eine entscheidende Rolle, um die gewünschte Kristallqualität und Leistung zu erreichen. Da Galliumverbindungen weiterhin Fortschritte in der Energie-, Optoelektronik- und Sensortechnologie vorantreiben, ist das Verständnis ihrer Struktur, Eigenschaften und Anwendungen für Forscher und Industrie gleichermaßen wichtig geworden.

Dieser Artikel gibt einen umfassenden Überblick über die strukturellen Merkmale, die physikalischen Eigenschaften, die Herstellungsmethoden und die Anwendungen von Ga2O3, GaAs und GaN und beleuchtet ihre aktuellen Fortschritte und Aussichten in der sich schnell entwickelnden Halbleiterlandschaft.

2 Galliumoxid (Ga2O3)

Galliumoxid, mit der chemischen Formel Ga2O3, ist eine anorganische Verbindung mit der chemischen Formel Ga2O3. Es ist ein Breitband-Halbleiter mit Eg=4,9eV, dessen Leitfähigkeit und Lumineszenzeigenschaften seit langem Aufmerksamkeit erregen. Ga2O3 ist ein transparentes Oxid-Halbleitermaterial mit breiten Anwendungsmöglichkeiten in optoelektronischen Geräten. Es kann als Isolierschicht in Halbleitermaterialien auf Ga-Basis, als UV-Filter und als chemischer O2-Detektor verwendet werden.

Abb. 1 Galliumoxid-Pulver

2.1 Kristallstruktur von Galliumoxid

Die fünf Kristallstrukturen von Galliumoxid sind β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 und ε-Ga2O3.

β-Ga2O3, auch bekannt als monoklines Galliumoxid, hat eine monokline Kristallstruktur mit der Raumgruppe P21 (a=12,203, b=5,671, c=6,524 und β=105,76). β-Ga2O3 besteht aus Galliumoxideinheiten, die sich durch eine hohe Elektronenbeweglichkeit, eine große direkte Energielücke und eine gute thermische Stabilität auszeichnen. Gegenwärtig wird β-Ga2O3 hauptsächlich in Hochleistungs-Halbleiterbauelementen und optoelektronischen Bauelementen für den Tief-Ultraviolettbereich verwendet.

α-Ga2O3, auch bekannt als tetragonales Galliumoxid, hat die Kristallstruktur eines tetragonalen Kristallsystems mit der Raumgruppe C4V (a=12,22, c=5,86). α-Ga2O3 ist ein ausgezeichnetes optisches Material mit hoher Lichtdurchlässigkeit und guter Korrosionsbeständigkeit. Es hat eine breite Palette von Anwendungen in Bereichen wie der Optoelektronik und der optoelektronischen Kommunikation.

γ-Ga2O3, auch bekannt als Galliumoxid des kubischen Kristallsystems, hat eine Kristallstruktur des kubischen Kristallsystems mit der Raumgruppe Ia3 (a=13,54). γ-Ga2O3 hat eine hohe optische Durchlässigkeit, eine geringe Defektdichte und eine hohe magnetische Permeabilität, was es zu einem potenziellen Material für magneto-optische und UV-Detektorgeräte macht.

δ-Ga2O3, auch bekannt als Galliumoxid des orthorhombischen Kristallsystems, hat eine orthorhombische Kristallstruktur mit der Raumgruppe Pnma (a=7,794, b=5,580, c=5,395). δ-Ga2O3 ist ein Material mit einer hohen Bandlücke, ausgezeichneten photovoltaischen Eigenschaften und guter physikalisch-chemischer Stabilität, das ein breites Anwendungsspektrum hat.

ε-Ga2O3, auch bekannt als Galliumoxid mit dreiteiligem Kristallsystem, hat eine dreiteilige Kristallstruktur mit der Raumgruppe R3c (a=12.170, c=24.812). ε-Ga2O3 ist ein Material mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit und hoher thermischer Stabilität und hat gute UV-Eigenschaften. Gegenwärtig wird ε-Ga2O3 hauptsächlich in UV-Detektoren und in der Leistungselektronik eingesetzt.

Tabelle 1 Vergleich der verschiedenen Strukturen von Ga2O3

2.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von Galliumoxid

Ga2O3 kann mit Fluorgas reagieren, um GaF3 zu erzeugen, und Ga2O3, das in 50 % HF gelöst ist, ergibt das Produkt GaF3-3H2O. Ga2O3 ist in leicht heißer verdünnter Salpetersäure, verdünnter Salzsäure und verdünnter Schwefelsäure löslich. Nach dem Verbrennen ist Ga2O3 weder in diesen Säuren noch in konzentrierter Salpetersäure noch in wässrigen Lösungen starker Basen löslich, und es kann nur durch Schmelzen von NaOH, KOH oder KHSO4 und K2S2O7 zusammen löslich gemacht werden. Galliumchlorid wird durch Schmelzen mit dem doppelten Überschuss an NH4Cl bei 250 °C hergestellt. Bei roter Hitze reagiert Ga2O3 mit Quarz zu einem glasartigen Körper, beim Abkühlen werden jedoch keine neuen Verbindungen gebildet. Es reagiert auch mit glasierten Porzellantiegeln bei roter Hitze.

Unter erhitzten Bedingungen kann Ga2O3 mit vielen Metalloxiden reagieren. Die Kristallstruktur des Gallats M(I)GaO2, das durch Reaktion mit Alkalimetalloxiden (über 400 °C) entsteht, wurde bestimmt, und wie Al2O3 und Ln2O3 reagiert es mit MgO, ZnO, CoO, NiO und CuO unter Bildung des spinellartigen M(II)Ga2O4. Das Produkt der Reaktion mit den dreiwertigen Metalloxiden, M(III)GaO3, hat in der Regel chalcocit- oder granatartige Strukturen (z. B. das Lanthanidgallat LnGaO3). Es sind auch komplexere ternäre Oxide erhältlich. Gallium-Mischoxide wurden für den Einsatz in Lasern, in der Phosphoreszenz und in lumineszierenden Materialien untersucht. Man geht davon aus, dass die lumineszierenden Eigenschaften von Galliumsalzen auf Sauerstoffleerstellen zurückzuführen sind. Da FeGaO3 faszinierende elektromagnetische Eigenschaften aufweist (d. h. Piezoelektrizität und Ferromagnetismus), wurden seine Synthese, Stabilität und Kristallstruktur eingehend untersucht.

Als Halbleitermaterial hat Galliumoxid ein extrem breites verbotenes Band mit einer elektrischen Feldstärke, die viel höher ist als bei anderen Breitband-Halbleitermaterialien. Es hat einen geringeren Durchlasswiderstand bei gleichem Spannungsniveau, was den Energieverlust verringert. Obwohl die Wärmeleitfähigkeit von Galliumoxid selbst gering ist, kann das Problem der Wärmeableitung durch Verkapselung und andere Mittel gelöst werden, was zu einem stabilen Betrieb des Bauelements bei hoher Leistungsdichte beiträgt. Galliumoxid-Bauelemente können auch bei höheren Temperaturen betrieben werden und sind für raue Umgebungen geeignet.

2.3 Herstellung von Galliumoxid

1. Direkte Reduktionsmethode: Bei dieser Methode wird Galliumnitrid durch die Reaktion von Stickstoff mit Galliummetall gewonnen, das dann in Sauerstoff zu Galliumoxid oxidiert wird. Mit dieser Methode kann relativ hochreines Galliumoxid gewonnen werden, aber der Prozess ist kompliziert, erfordert hohe Temperaturen und eine Hochdruckumgebung, und die Produktionskosten sind hoch.

2. Chemische Gasphasenabscheidung: Bei dieser Methode wird hochreines Galliumoxid hergestellt, indem ein Gasgemisch in eine Reaktionskammer geleitet wird, in der eine chemische Reaktion bei hoher Temperatur stattfindet. Zu den üblicherweise verwendeten Reaktionsgasen gehört Galliumtrichlorid (GaCl3).

3. Saures Verfahren: Diese Methode besteht aus den folgenden Schritten:

• Oxidation: Flüssiges Rohmaterial in den Reaktor geben, Königswasser tropfenweise zugeben und umrühren, Temperaturkontrolle bei 80-85℃, Reaktionszeit 8±1 Stunden.
• Neutralisierung: Die erzeugte Ga(NO3)3- und GaCl3-Lösung wird in die Reaktionstrommel gegeben, Ammoniak wird hinzugefügt und gerührt, um den pH-Wert auf 7-7,5 zu neutralisieren, und die Temperatur des Wasserbads wird auf 60-70℃ geregelt.
• Filtration: Die Lösung nach der Neutralisationsreaktion wurde durch ein Filtertuch filtriert, um einen Galliumhydroxid-Niederschlag zu erhalten.
• Waschen: Der Galliumhydroxid-Niederschlag wird 5-6 Mal mit hochreinem Wasser gewaschen und dann filtriert.
• Trocknen: Nach dem Waschen wird das Galliumhydroxid zum Trocknen des Wassers in den Trockenofen gegeben, die Trocknungstemperatur beträgt 150℃, die Trocknungszeit 20±2 Stunden.
• Rösten: Nach dem Trocknen wird das Galliumhydroxid im Röstofen geröstet und dehydriert, die Rösttemperatur beträgt 600-700℃, und die Röstzeit beträgt 3±0,5 Stunden.
• Mahlen: Nach dem Rösten wird das Galliumoxid mit einer Mühle gemahlen, um die erforderliche Maschenweite zu erreichen.
• Verpacken: Vakuumverpackung der Produkte im Lager

2.4 Anwendungen von Galliumoxid

1. Leistungselektronik

Galliumoxid hat eine elektrische Durchschlagsfeldstärke von bis zu 8MV/cm, die viel höher ist als die anderer Breitband-Halbleitermaterialien, was ihm bei Hochspannungs-, Hochfrequenz- und Hochleistungsanwendungen einen erheblichen Vorteil verschafft. Außerdem weist es bei gleicher Spannung einen geringeren Durchlasswiderstand auf, was den Energieverlust verringert und die Energieumwandlungseffizienz verbessert. Obwohl Galliumoxid selbst eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist, kann das Problem der Wärmeableitung durch Verkapselung und andere Mittel gelöst werden, was zu einem stabilen Betrieb des Bauelements bei hohen Leistungsdichten beiträgt. Gleichzeitig können Galliumoxid-Bauelemente bei höheren Temperaturen arbeiten und sich an raue Umgebungen anpassen. Daher bietet Galliumoxid ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Leistungselektronik, z. B. in Motorantriebssystemen für Elektrofahrzeuge und Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssystemen für intelligente Stromnetze.

2. Optoelektronische Geräte

Ultraviolett-Detektor: Galliumoxid hat ein großes Potenzial für Anwendungen im Bereich der Optoelektronik. Es kann zur Herstellung von Hochleistungs-Ultraviolett-Detektoren mit hoher Empfindlichkeit und schneller Reaktion verwendet werden. Diese Detektoren spielen eine wichtige Rolle bei der Umweltüberwachung, in der Biomedizin und in anderen Bereichen, z. B. bei der Feststellung der Ozonkonzentration in der Atmosphäre und des organischen Gehalts von Wasser.

Tief-UV-Leuchtdiode (LED): Die spezielle Energiebandstruktur des Galliumoxid-Materials ermöglicht es, tiefes ultraviolettes Licht mit kürzerer Wellenlänge und höherer Energie zu emittieren, was eine stärkere Sterilisationswirkung hat. Daher hat die tief ultraviolette LED eine breite Palette von Anwendungen in der Sterilisation und in Halbleiterherstellungsprozessen, wie z. B. der Fotolithografie.

Abb. 2 Vergleich der Anwendungen von SiC, GaN und Ga2O3

3. Der Sensor

Die besonderen chemischen und elektrischen Eigenschaften des Galliumoxid-Halbleitermaterials ermöglichen eine breite Palette von Anwendungen im Bereich der Sensoren. Es kann zur Herstellung von Feuchtigkeitssensoren, Temperatursensoren, Gassensoren, Drucksensoren und anderen Sensoren verwendet werden, um die Anforderungen verschiedener Bereiche zu erfüllen.

4. Andere Anwendungen

Zusätzlich zu den oben genannten Bereichen hat Galliumoxid-Halbleitermaterial auch Anwendungen in anderen Bereichen. Zum Beispiel kann es zur Herstellung von flexiblen Anzeigegeräten, Batteriematerialien und so weiter verwendet werden. Mit dem kontinuierlichen Fortschritt der Technologie und der Kostenreduzierung erweitert Galliumoxid außerdem allmählich seine Anwendung im Bereich der Funkfrequenzen, z. B. für Radarsysteme, Satellitenkommunikation und drahtlose Basisstationen.

3 Galliumarsenid（GaAs）

Galliumarsenid ist eine anorganische Verbindung mit der chemischen Formel GaAs, ein schwarz-grauer Feststoff mit einem Schmelzpunkt von 1.238 °C. Es kommt an der Luft unter 600 °C vor und wird von nicht oxidierenden Säuren nicht angegriffen. Es kann an der Luft unter 600 °C stabilisiert werden und wird von nicht oxidierenden Säuren nicht angegriffen. Galliumarsenid ist ein wichtiges Halbleitermaterial. Gehört zu den Ⅲ-V-Verbindungshalbleitern. Es ist eine Gitterstruktur vom Sphalerit-Typ, Gitterkonstante 5,65 × 10-10m, verbotene Bandbreite 1,4 eV.

3.1 Kristallstruktur von Galliumarsenid

Die Kristallstruktur von Galliumarsenid gehört zum kubischen Kristallsystem, der flächenzentrierten kubischen (FCC) Struktur. Die Ga-Atome befinden sich an der Spitze des flächenzentrierten kubischen Gitters, die As-Atome befinden sich in den flächenzentrierten Positionen der benachbarten Ga-Atome, und die Ga-Atome und As-Atome sind durch kovalente Bindungen miteinander verbunden, wodurch Galliumarsenid elektronisch leitende Eigenschaften aufweist. Die Gitterkonstante des GaAs-Kristalls beträgt a=5,6535Å.

Abb. 3 Kristallstruktur von Galliumarsenid

3.2 Physikalische und chemische Eigenschaften von Galliumarsenid

GaAs hat einige bessere elektronische Eigenschaften als Si, so dass GaAs oberhalb von 250 GHz eingesetzt werden kann. Wenn gleichwertige GaAs- und Si-Bauteile bei hohen Frequenzen betrieben werden, erzeugt GaAs weniger Rauschen. Da GaAs außerdem eine höhere Kollapsspannung aufweist, ist GaAs besser für den Betrieb mit hoher Leistung geeignet als das gleiche Si-Bauteil. Aufgrund dieser Eigenschaften können GaAs-Schaltungen in Mobiltelefonen, Satellitenkommunikation, Mikrowellen-Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, Radarsystemen usw. eingesetzt werden. GaAs wurde für die Herstellung von Gann-Dioden, Mikrowellendioden und Geng-Dioden zur Abstrahlung von Mikrowellen verwendet.

Tabelle 2 Physikalische Eigenschaften von Galliumarsenid

3.3 Herstellung von Galliumarsenid

1. Vertikale Gradientenverfestigung (VGF): Dies ist das Hauptverfahren für die Herstellung von GaAs-Wafern, bei dem Einkristalle in einem Ofen mit vertikaler Gradientenverfestigung gezüchtet werden; dieses Verfahren erzeugt Kristalle von höherer Qualität.

2. Liquid Encapsulation Pulling Method (LEC): Die LEC-Methode ist das Hauptverfahren für die Züchtung von nicht dotierten halbisolierten GaAs-Einkristallen; mehr als 80 % der halbisolierten GaAs-Einkristalle auf dem Markt verwenden diese Methode. Bei der LEC-Methode werden Graphitheizungen und PBN-Tiegel verwendet, B2O3 dient als flüssiges Versiegelungsmittel, und die Kristallzüchtung erfolgt in einer Argon-Umgebung mit 2 MPa. Mit dieser Methode werden Kristalle mit hoher Zuverlässigkeit und guten halbisolierenden Eigenschaften erzeugt, aber die chemische Dosierung ist schwieriger zu kontrollieren und die Versetzungsdichte ist höher.

3. Horizontale Bridgman-Methode (HB): Diese Methode war einst das Hauptverfahren für die Massenproduktion von GaAs-Halbleiter-Einkristallen, bei dem Quarzboote und Quarzrohre bei Atmosphärendruck gezüchtet werden. Der Vorteil der HB-Methode besteht darin, dass der Temperaturgradient gering und die Versetzungsdichte niedrig ist, aber es ist schwierig, nicht dotierte, halbisolierende GaAs-Einkristalle zu züchten, und die Kristallschnittstelle ist D-förmig, was zu einer Materialverschwendung führt.

4. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD): GaAs-Dünnschichten werden durch die Reaktion von gasförmigen Vorläufern bei hohen Temperaturen erzeugt, was eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Erzeugung hochwertiger GaAs-Einkristalle ist.

3.4 Anwendungen von Galliumarsenid

1. Mikrowellenbereich: Galliumarsenid ist im Mikrowellenbereich weit verbreitet und wird hauptsächlich zur Herstellung von Hochfrequenzbauelementen wie Hochspannungs-Feldeffekttransistoren (HEMT), Niederspannungs-Feldeffekttransistoren (LEMT), bipolaren Transistoren, komplementären Metall-Oxid-Halbleitern (CMOS), integrierten Hochfrequenz-Frontend-Schaltungen usw. verwendet. Diese Bauelemente spielen eine wichtige Rolle in der drahtlosen Kommunikation und in Radarsystemen.

2. Optoelektronik: Galliumarsenid ist ein ausgezeichnetes photoelektrisches Umwandlungsmaterial, das zur Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Halbleiterlasern, energieeffizienten Solarzellen, Photodetektoren und photoelektrischen Schaltern verwendet wird. Aufgrund seiner direkten Bandlücke Eigenschaften, Galliumarsenid im Bereich der Optoelektronik ist besonders prominent, kann direkt in den angeregten Zustand zu springen, geeignet für die Herstellung von LED (Leuchtdiode) und Laser, wie VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), ist weit verbreitet in der Kurzstrecken-Rechenzentrum Glasfaserkommunikation und TOF Gesichtserkennung und andere Technologien verwendet.

3. Bereich Kommunikation: Im Bereich der Kommunikation wird GaAs häufig in der faseroptischen Kommunikation in optischen Empfängern, optischen Verstärkern, optischen Modulatoren und anderen Geräten eingesetzt. Seine hohe Frequenz, seine hohe Elektronenbeweglichkeit und sein geringes Rauschen machen es zu einer idealen Wahl für die faseroptische Kommunikation.

4. Solarzellenbereich: GaAs-Solarzellen haben eine hohe photoelektrische Umwandlungseffizienz und Stabilität und werden als die nächste Generation effizienter Solarzellenmaterialien angesehen. Aufgrund seiner hohen photoelektrischen Umwandlungseffizienz und thermischen Stabilität wird es im Bereich der Solarzellen umfassend untersucht und eingesetzt.

5. Mikroelektronik: Im Bereich der Mikroelektronik wird GaAs in Hochgeschwindigkeitsschaltungen, Flash-Speichern, Leistungstransistoren, planaren optischen Arrays und anderen Geräten eingesetzt. Aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit und der großen Bandlücke eignet es sich gut für elektronische Hochgeschwindigkeitsgeräte.

4 Galliumnitrid（GaN）

GaN-Material Forschung und Anwendung ist die aktuelle globale Halbleiter-Forschung Front und Hot Spot, ist die Entwicklung von mikroelektronischen Geräten, optoelektronische Geräte, neue Halbleitermaterialien, und mit SiC, Diamant, und andere Halbleitermaterialien, bekannt als die erste Generation von Ge, Si-Halbleitermaterialien, die zweite Generation von GaAs, InP-Verbindungen Halbleitermaterialien nach der dritten Generation von Halbleitermaterialien. Es hat die Eigenschaften einer breiten direkten Bandlücke, starker atomarer Bindungen, hoher Wärmeleitfähigkeit, guter chemischer Stabilität (kaum von Säuren angegriffen) und starker Beständigkeit gegen Bestrahlung, und hat eine breite Perspektive in der Optoelektronik, Hochtemperatur-Hochleistungsgeräten und Hochfrequenz-Mikrowellengeräten Anwendungen.

Abb. 4 Galliumnitrid-Pulver

4.1 Kristallstruktur von Galliumnitrid

Galliumnitrid (GaN) ist ein Halbleitermaterial mit einer Kristallstruktur, die aus einem Gitter aus Gallium- und Stickstoffatomen besteht. Galliumnitridkristalle haben eine kubische Kristallstruktur, und ihre Zellen enthalten eine Anordnung von Atomen mit einer hexagonal dicht gepackten Struktur.

Die Gitterstruktur von Galliumnitridkristallen lässt sich so beschreiben, dass jedes Galliumatom von vier Stickstoffatomen umgeben ist und dass jedes Stickstoffatom ebenfalls von vier Galliumatomen umgeben ist. Diese Struktur ist als Sphaleritstruktur oder spiralförmige Alkenstruktur bekannt, die aus einer abwechselnden Anordnung von kovalenten und ionischen Bindungen besteht, die von Gallium- und Stickstoffatomen gebildet werden.

In der Galliumnitridstruktur bilden die Stickstoffatome kovalente Bindungen mit den sie umgebenden Galliumatomen, und diese kovalenten Bindungen verleihen dem Kristall eine stabile Struktur. Gleichzeitig nehmen die Stickstoffatome Elektronen von den Galliumatomen auf und bilden positive und negative Ionen im Galliumnitridkristall. Diese Kombination aus kovalenten und ionischen Bindungen verleiht Galliumnitrid eine gute Elektronenbeweglichkeit und optische Eigenschaften.

Darüber hinaus enthält das Gitter von Galliumnitridkristallen häufig Fremdatome wie Silizium, Kohlenstoff usw. Durch die Dotierung mit diesen Fremdatomen können die elektrischen und optischen Eigenschaften von Galliumnitrid verändert werden, so dass es sich für verschiedene Anwendungen eignet.

Abb. 5 Kristallstruktur von Galliumnitrid

4.2 Eigenschaften von Galliumnitrid

GaN ist eine äußerst stabile Verbindung und ein hartes Material mit einem Schmelzpunkt von etwa 1700 °C. GaN hat einen hohen Ionisierungsgrad, der der höchste unter den III-V-Verbindungen ist (0,5 oder 0,43). Bei Atmosphärendruck haben GaN-Kristalle im Allgemeinen eine hexagonale, fibrillierte Zinkitstruktur. Es hat vier Atome in einer Protozelle mit einem Atomvolumen, das etwa halb so groß ist wie das von GaAs. Aufgrund seiner Härte ist es ein weiteres gutes Material für den Schutz von Beschichtungen.

Energielücke und elektronische Struktur: Die größere Energielücke von Galliumnitrid (etwa 3,4 eV) verleiht ihm eine hohe Transparenz im sichtbaren Bereich, was für optoelektronische Geräte wie LEDs und Laser entscheidend ist. Seine direkten Bandlückeneigenschaften bedeuten, dass die Energie- und Impulserhaltung beim Springen der Elektronen erhalten bleibt, was zur Verbesserung der Effizienz optoelektronischer Geräte beiträgt. Die elektronische Struktur von GaN bestimmt auch die Elektronenbeweglichkeit und die Eigenschaften des Ladungsträgertransports, die für die Geschwindigkeit und die Leistungsmerkmale des Bauelements entscheidend sind.

Mechanische Eigenschaften: Galliumnitrid weist eine hohe Härte auf, die der von Saphir nahe kommt (etwa 9 auf der Mohs-Härteskala), was es gegen ein gewisses Maß an mechanischer Belastung und Kratzern resistent macht. Aufgrund seines hohen Elastizitätsmoduls ist Galliumnitrid in Anwendungen widerstandsfähiger und stabiler und kann einem gewissen Grad an äußerem Druck und Belastung standhalten.

Thermische Eigenschaften: Galliumnitrid hat eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, die im Vergleich zu anderen Halbleitermaterialien hoch ist. Dank dieser hohen Wärmeleitfähigkeit können Galliumnitrid-Bauteile die Wärme während des Betriebs effektiv ableiten, wodurch Temperaturgradienten verringert und die Leistung und Zuverlässigkeit der Bauteile verbessert werden. Darüber hinaus bedeutet der relativ kleine Wärmeausdehnungskoeffizient von Galliumnitrid, dass es weniger anfällig für Dimensionsänderungen und Verformungen bei Temperaturschwankungen ist, was zur Aufrechterhaltung der strukturellen Stabilität des Bauelements beiträgt.

Optische Eigenschaften: Galliumnitrid hat eine hohe Transparenz und einen niedrigen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren Bereich, was eine effiziente Energieumwandlung in optoelektronischen Geräten wie LEDs und Lasern ermöglicht. Durch seinen hohen Brechungsindex ermöglicht Galliumnitrid eine effiziente optische Kopplung, wodurch die Lichtausbeute und die Ausgangsleistung von optoelektronischen Geräten erhöht werden.

Chemische Beständigkeit: Galliumnitrid weist eine gute chemische Stabilität auf und ist gegen viele gängige chemische Korrosions- und Oxidationsreaktionen, wie Säuren, Laugen und Lösungsmittel, beständig. Dadurch ist Galliumnitrid in der Lage, unter einer Vielzahl von rauen Umgebungsbedingungen, wie hohen Temperaturen, hoher Luftfeuchtigkeit und korrosiven Gasen, eine stabile Leistung zu erbringen.

Elektronische Leistung: Galliumnitrid hat eine ausgezeichnete Elektronenbeweglichkeit, die typischerweise im Bereich von mehreren hundert bis mehreren tausend cm2/(V-s) liegt, was ihm eine hervorragende Leistung in der Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik verleiht. Die hohe Elektronenbeweglichkeit und die hohe Sättigungsdriftrate ermöglichen Galliumnitrid-Bauelemente mit niedrigem On-Widerstand und hohen Schaltgeschwindigkeiten für Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzanwendungen.

4.3 Herstellung von Galliumnitrid

Das Wachstum von GaN-Material wird durch die chemische Reaktion zwischen dem aus TMGa zersetzten Ga und NH3 bei hoher Temperatur mit der reversiblen Reaktionsgleichung realisiert:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

Das Wachstum von GaN erfordert eine bestimmte Wachstumstemperatur und einen bestimmten Partialdruck von NH3. Die üblicherweise verwendeten Methoden sind die konventionelle MOCVD (einschließlich APMOCVD und LPMOCVD), die plasmaunterstützte MOCVD (PE-MOCVD) und die Elektronenzyklotronresonanz-unterstützte MBE. Die erforderliche Temperatur und der NH3-Partialdruck werden nach und nach gesenkt. Eine Studie ergab, dass es sich bei der verwendeten Anlage um ein AP-MOCVD-Verfahren mit einem horizontalen Reaktor und speziellen Konstruktionsänderungen handelte, bei dem im Inland hergestelltes hochreines TMGa und NH3 als Ausgangsmaterialien, DeZn als P-Dotierquelle, (0001)-Saphir mit (111)-Silizium als Substrat unter Verwendung einer Hochfrequenz-Induktionsheizung, Silizium mit geringem Widerstand als Wärmeerzeuger und hochreines H2 als Trägergas für die MO-Quelle verwendet wurden. Hochreines N2 wurde für die Konditionierung der Wachstumszone verwendet. HALL-Messungen, Zweikristallbeugung und PL-Spektroskopie bei Raumtemperatur wurden zur qualitativen Charakterisierung von GaN verwendet.

4.4 Anwendungen von Galliumnitrid

1. Neue elektronische Geräte

Die GaN-Materialserie mit geringer Wärmeentwicklung und hohem elektrischem Durchbruchsfeld ist ein wichtiges Material für die Entwicklung von Hochtemperatur-Hochleistungselektronikgeräten und Hochfrequenz-Mikrowellengeräten. Mit dem Fortschritt der MBE-Technologie bei der Anwendung von GaN-Materialien und dem Durchbruch der Schlüsseltechnologie für das Dünnschichtwachstum wurde eine Vielzahl von GaN-Heterostrukturen erfolgreich hergestellt. Neue Arten von Bauelementen wie Metall-Feldeffekttransistoren (MESFETs), Heteroübergangs-Feldeffekttransistoren (HFETs), modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFETs) usw. wurden aus GaN-Materialien hergestellt. Modulations-dotierte AlGaN/GaN-Struktur hat eine hohe Elektronenbeweglichkeit (2000cm2/v-s), hohe Sättigungsgeschwindigkeit (1 × 107cm/s), und niedrige Dielektrizitätskonstante, ist die Produktion von Mikrowellen-Geräte von vorrangigen Materialien; GaN breitere verbotene Bandbreite (3,4eV) und Saphir und anderen Materialien für das Substrat, Wärmeableitung Leistung ist gut, förderlich für das Gerät arbeiten in High-Power-Bedingungen.

2. Optoelektronische Geräte

Die GaN-Materialreihe ist ein ideales Material für kurzwellige lichtemittierende Geräte, und die Bandlücke von GaN und seinen Legierungen deckt den Spektralbereich von Rot bis Ultraviolett ab. Seit der Entwicklung von blauen GaN-LEDs mit Homoübergang in Japan im Jahr 1991 wurden ultrahelle blaue InGaN/AlGaN-LEDs mit doppeltem Heteroübergang und InGaN-GaN-LEDs mit einzelnen Quantenschächten eingeführt. Derzeit sind blaue und grüne Zcd- und 6cd-GaN-Einzelquantentopf-LEDs in die Massenproduktion eingetreten und füllen damit die seit vielen Jahren bestehende Marktlücke bei blauen LEDs. Blaues Licht emittierende Bauelemente haben einen riesigen Anwendungsmarkt in den Bereichen des Informationszugangs von optischen Festplatten mit hoher Dichte, volloptischen Displays und Laserdruckern. Mit der weiteren Vertiefung der Forschungs- und Entwicklungsarbeit an Nitridmaterialien und -geräten wurde die GaInN-Technologie für ultrahochblaue und grüne LEDs kommerzialisiert, und die weltweit größten Unternehmen und Forschungsinstitute haben sich mit hohen Investitionen in den Wettbewerb um die Entwicklung blauer LEDs eingeschaltet.

3. Sensoren

Galliumnitrid kann für die Herstellung hochpräziser und empfindlicher Drucksensoren verwendet werden. Die elektrischen Eigenschaften von Galliumnitrid ändern sich, wenn von außen Druck ausgeübt wird, und der Druck kann durch Messung von Parametern wie Widerstand, Kapazität oder Feldeffekt gemessen werden. Aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften eignen sich Galliumnitridmaterialien für die Herstellung von Hochtemperatursensoren. Galliumnitrid verfügt über eine ausgezeichnete Stabilität und Wärmeleitfähigkeit in Hochtemperaturumgebungen und kann zur Herstellung von Hochtemperatursensoren verwendet werden, wie z. B. Temperatursensoren für Automotoren und Sensoren zur Überwachung von Hochtemperaturprozessen. Es kann auch für die Herstellung von Gassensoren verwendet werden. Die Oberfläche von Galliumnitrid weist eine gute chemische Inertheit auf und kann mit vielen Gasen spezifische chemische Reaktionen eingehen, so dass die Konzentration bestimmter Gase wie Stickoxide, Ammoniak usw. anhand der chemischen Eigenschaften der Oberfläche nachgewiesen werden kann. Aufgrund der ausgezeichneten optischen Eigenschaften von Galliumnitrid lassen sich mit seiner Anwendung in optischen Sensoren hochpräzise Messungen von Parametern wie Lichtintensität, Wellenlänge und Richtung durchführen. Durch die spezifische Modifizierung von Biomolekülen mit der Oberfläche von Galliumnitrid-Materialien kann eine hohe Empfindlichkeit und Selektivität beim Nachweis von Biomolekülen wie DNA, Proteinen, Zellen usw. erreicht werden.

Abb. 6 Anwendungen von Galliumnitrid

5 Schlussfolgerung

Verbindungen auf Galliumbasis, einschließlich Ga2O3, GaAs und GaN, bilden aufgrund ihrer bemerkenswerten elektrischen, optischen und thermischen Eigenschaften einen Eckpfeiler der modernen Halbleitertechnologie. Jedes Material besitzt einzigartige Stärken: Ga2O3 zeichnet sich durch seine ultrabreite Bandlücke und sein hohes elektrisches Durchbruchsfeld für Hochleistungs- und Hochspannungsanwendungen aus, GaAs bleibt aufgrund seiner hohen Elektronenbeweglichkeit und seiner direkten Bandlücke ein führendes Material für Hochgeschwindigkeits- und optoelektronische Geräte. Gleichzeitig hat GaN die Leistungselektronik und Hochfrequenz-Kommunikationssysteme dank seiner Robustheit, Effizienz und seines großen Betriebsbereichs verändert.

Die Entwicklung fortschrittlicher Synthesetechniken, wie chemische Gasphasenabscheidung, Molekularstrahlepitaxie und andere maßgeschneiderte Herstellungsverfahren, hat eine präzise Kontrolle der Materialqualität ermöglicht und den Weg für innovative Anwendungen in verschiedenen Branchen geebnet. Von der Energieumwandlung und Ultraviolett-Detektion bis hin zur 5G-Kommunikation und zu Systemen für erneuerbare Energien treiben Galliumverbindungen den technologischen Fortschritt voran und erfüllen die wachsende Nachfrage nach energieeffizienten, leistungsstarken Geräten.

Es wird erwartet, dass diese Materialien im Zuge der weiteren Forschung und Entwicklung bestehende Herausforderungen wie Wärmemanagement und Skalierbarkeit durch Materialtechnik und Integration mit neuen Technologien überwinden werden. Verbindungen auf Galliumbasis werden weiterhin an der Spitze der Innovation stehen und zukünftige Fortschritte in der Elektronik, Optoelektronik und darüber hinaus unterstützen.

Stanford Advanced Materials (SAM) ist ein wichtiger Anbieter von hochwertigen Germaniummaterialien und unterstützt diese kritischen Anwendungen mit zuverlässigen Materiallösungen.

Weitere Lektüre:

Wesentliche elektronische Materialien: Teil 1 - Silizium

Wesentliche elektronische Materialien: Teil 2 - Siliziumkarbid

Wesentliche elektronische Materialien: Teil 3 - Germanium