El nitruro de galio ( Ga N ) es un semiconductor binario de banda prohibida directa III / V comúnmente utilizado en diodos emisores de luz azul desde la década de 1990. El compuesto es un material muy duro que tiene una estructura cristalina de Wurtzita . Su ancho de banda prohibida de 3.4 eV le confiere propiedades especiales para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos , [8] [9] de alta potencia y alta frecuencia. Por ejemplo, GaN es el sustrato que hace posible los diodos láser violetas (405 nm), sin necesidad de duplicar la frecuencia óptica no lineal. .
Nombres | |
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Nombre IUPAC Nitruro de galio | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.042.830 |
PubChem CID | |
UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
GaN | |
Masa molar | 83,730 g / mol [1] |
Apariencia | polvo amarillo |
Densidad | 6,1 g / cm 3 [1] |
Punto de fusion | > 1600 ° C [1] [2] |
solubilidad en agua | Insoluble [3] |
Brecha de banda | 3,4 eV (300 K, directo) |
Movilidad de electrones | 1500 cm 2 / (V · s) (300 K) [4] |
Conductividad térmica | 1,3 W / (cm · K) (300 K) [5] |
Índice de refracción ( n D ) | 2.429 |
Estructura | |
Estructura cristalina | Wurtzita |
Grupo espacial | C 6v 4 - P 6 3 mc |
Constante de celosía | a = 3,186 Å, c = 5,186 Å [6] |
Geometría de coordinación | Tetraédrico |
Termoquímica | |
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 ) | −110,2 kJ / mol [7] |
Peligros | |
punto de inflamabilidad | No es inflamable |
Compuestos relacionados | |
Otros aniones | Fosfuro de galio Arseniuro de galio Antimonuro de galio |
Otros cationes | Nitruro de boro Nitruro de aluminio Nitruro de indio |
Compuestos relacionados | De aluminio de arseniuro de galio , indio, galio arseniuro de galio arseniuro fosfuro de aluminio galio nitruro de indio y galio nitruro |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Su sensibilidad a la radiación ionizante es baja (como otros nitruros del grupo III ), lo que lo convierte en un material adecuado para matrices de células solares para satélites . Las aplicaciones militares y espaciales también podrían beneficiarse ya que los dispositivos han demostrado estabilidad en entornos de radiación . [10]
Debido a que los transistores de GaN pueden operar a temperaturas mucho más altas y trabajar a voltajes mucho más altos que los transistores de arseniuro de galio (GaAs), son amplificadores de potencia ideales en frecuencias de microondas. Además, GaN ofrece características prometedoras para dispositivos THz . [11] Debido a la alta densidad de potencia y los límites de ruptura de voltaje, GaN también está emergiendo como un candidato prometedor para aplicaciones de estaciones base celulares 5G.
Propiedades físicas
GaN es un material semiconductor de banda ancha muy dura ( dureza Knoop 14.21 GPa [12] : 4 ), mecánicamente estable , con alta capacidad calorífica y conductividad térmica. [13] En su forma pura resiste el agrietamiento y puede depositarse en una película delgada sobre zafiro o carburo de silicio , a pesar del desajuste en sus constantes de celosía . [13] GaN se puede dopar con silicio (Si) o con oxígeno [14] a tipo ny con magnesio (Mg) a tipo p . [15] Sin embargo, los átomos de Si y Mg cambian la forma en que crecen los cristales de GaN, introduciendo tensiones de tracción y volviéndolos frágiles. [16] Los compuestos de nitruro de galio también tienden a tener una alta densidad de dislocación , del orden de 10 8 a 10 10 defectos por centímetro cuadrado. [17] El comportamiento de la banda prohibida amplia de GaN está relacionado con cambios específicos en la estructura de la banda electrónica, la ocupación de carga y las regiones de enlaces químicos. [18]
El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) proporcionó la primera medición de la alta velocidad de campo de los electrones en GaN en 1999. [19] Los científicos de ARL obtuvieron experimentalmente una velocidad máxima en estado estable de 1,9 x 10 7 cm / s, con un tiempo de tránsito de 2,5 picosegundos, alcanzado a un campo eléctrico de 225 kV / cm. Con esta información se calculó la movilidad de los electrones , proporcionando así datos para el diseño de dispositivos GaN.
Desarrollos
Se puede obtener GaN con una alta calidad cristalina depositando una capa tampón a bajas temperaturas. [20] Tal GaN de alta calidad condujo al descubrimiento de GaN de tipo p, [15] LED de unión pn azul / UV- LED [15] y emisión estimulada a temperatura ambiente [21] (esencial para la acción del láser). [22] Esto ha llevado a la comercialización de LED azules de alto rendimiento y diodos láser violeta de larga duración, y al desarrollo de dispositivos basados en nitruros como detectores UV y transistores de efecto de campo de alta velocidad .
LED
Los diodos emisores de luz (LED) de GaN de alto brillo completaron la gama de colores primarios e hicieron posible aplicaciones tales como pantallas LED a todo color visibles a la luz del día, LED blancos y dispositivos láser azules . Los primeros LED de alto brillo basados en GaN utilizaron una fina película de GaN depositada mediante epitaxia en fase vapor metalorgánica (MOVPE) sobre zafiro . Otros sustratos utilizados son el óxido de zinc , con un desajuste constante de celosía de solo el 2% y el carburo de silicio (SiC). [23] Los semiconductores de nitruro del grupo III son, en general, reconocidos como una de las familias de semiconductores más prometedoras para la fabricación de dispositivos ópticos en la región visible de onda corta y UV.
Transistores
Los voltajes de ruptura muy altos, [24] la alta movilidad de electrones y la velocidad de saturación de GaN también lo han convertido en un candidato ideal para aplicaciones de microondas de alta potencia y alta temperatura, como lo demuestra su alta figura de mérito de Johnson . Los mercados potenciales para dispositivos de alta potencia / alta frecuencia basados en GaN incluyen amplificadores de potencia de radiofrecuencia de microondas (como los que se utilizan en la transmisión inalámbrica de datos de alta velocidad) y dispositivos de conmutación de alto voltaje para redes eléctricas. Una posible aplicación de mercado masivo para transistores de RF basados en GaN es como fuente de microondas para hornos microondas , reemplazando a los magnetrones que se utilizan actualmente. La gran banda prohibida significa que el rendimiento de los transistores de GaN se mantiene hasta temperaturas más altas (~ 400 ° C [25] ) que los transistores de silicio (~ 150 ° C [25] ) porque disminuye los efectos de la generación térmica de portadores de carga que son inherentes a cualquier semiconductor. Los primeros transistores de efecto de campo semiconductores metálicos de nitruro de galio (GaN MESFET ) se demostraron experimentalmente en 1993 [26] y se están desarrollando activamente.
En 2010, los primeros transistores GaN en modo de mejora estuvieron disponibles de forma generalizada. [27] Solo estaban disponibles transistores de canal n. [27] Estos dispositivos fueron diseñados para reemplazar los MOSFET de potencia en aplicaciones donde la velocidad de conmutación o la eficiencia de conversión de potencia son críticas. Estos transistores se construyen haciendo crecer una capa delgada de GaN sobre una oblea de silicio estándar. Esto permite que los FET mantengan costos similares a los MOSFET de potencia de silicio pero con el rendimiento eléctrico superior de GaN. Otra solución aparentemente viable para realizar HFET de canal de GaN en modo de mejora es emplear una capa de AlInGaN cuaternaria emparejada en red de desajuste de polarización espontánea aceptablemente baja con GaN. [28]
Aplicaciones
LEDs y láseres
Los diodos láser violeta basados en GaN se utilizan para leer discos Blu-ray . La mezcla de GaN con In ( InGaN ) o Al ( AlGaN ) con un band gap dependiente de la relación de In o Al a GaN permite la fabricación de diodos emisores de luz ( LED ) con colores que pueden ir del rojo al ultravioleta. . [23]
Transistores
Los transistores GaN son adecuados para aplicaciones de alta frecuencia, alto voltaje, alta temperatura y alta eficiencia.
Los HEMT de GaN se ofrecen comercialmente desde 2006 y han encontrado un uso inmediato en varias aplicaciones de infraestructura inalámbrica debido a su alta eficiencia y funcionamiento de alto voltaje. Una segunda generación de dispositivos con longitudes de puerta más cortas abordará aplicaciones aeroespaciales y de telecomunicaciones de mayor frecuencia. [29]
Los transistores MOSFET y MESFET basados en GaN también ofrecen ventajas, incluida una menor pérdida en la electrónica de alta potencia, especialmente en aplicaciones de automóviles y automóviles eléctricos. [30] Desde 2008, estos pueden formarse sobre un sustrato de silicio. [30] También se han fabricado diodos de barrera Schottky (SBD) de alto voltaje (800 V) . [30]
La electrónica basada en GaN (no GaN puro) tiene el potencial de reducir drásticamente el consumo de energía, no solo en las aplicaciones de consumo, sino incluso en los servicios públicos de transmisión de energía .
A diferencia de los transistores de silicio que se apagan debido a sobretensiones, los transistores de GaN suelen ser dispositivos en modo de agotamiento (es decir, encendido / resistivo cuando el voltaje de la fuente de la puerta es cero). Se han propuesto varios métodos para alcanzar el funcionamiento normalmente apagado (o modo E), que es necesario para su uso en electrónica de potencia: [31] [32]
- la implantación de iones flúor debajo de la puerta (la carga negativa de los iones F favorece el agotamiento del canal)
- el uso de una pila de compuertas tipo MIS, con rebaje de AlGaN
- la integración de un par en cascada constituido por un transistor GaN normalmente encendido y un MOSFET de silicio de bajo voltaje
- el uso de una capa de tipo p encima de la heterounión AlGaN / GaN
Radares
También se utilizan en la electrónica militar, como los radares de matriz de escaneado electrónico activos . [33]
Thales lo introdujo en 2010 con el radar Ground Master 400 . [34]
El Ejército de los EE. UU. Financió a Lockheed Martin para incorporar la tecnología de dispositivo activo GaN en el sistema de radar AN / TPQ-53 para reemplazar dos sistemas de radar de rango medio, el AN / TPQ-36 y el AN / TPQ-37 . [35] [36] El sistema de radar AN / TPQ-53 fue diseñado para detectar, clasificar, rastrear y localizar sistemas de fuego indirecto enemigos, así como sistemas aéreos no tripulados. [37] El sistema de radar AN / TPQ-53 proporcionó un rendimiento mejorado, mayor movilidad, mayor confiabilidad y compatibilidad, menor costo del ciclo de vida y reducido tamaño de la tripulación en comparación con los sistemas AN / TPQ-36 y AN / TPQ-37. [35]
Lockheed Martin desplegó otros radares operativos tácticos con tecnología GaN en 2018, incluido el sistema de radar multifunción TPS-77 desplegado en Letonia y Rumania . [38] En 2019, el socio de Lockheed Martin, ELTA Systems Limited , desarrolló un radar multimisión ELM-2084 basado en GaN que podía detectar y rastrear aeronaves y objetivos balísticos, al tiempo que proporcionaba una guía de control de fuego para la interceptación de misiles o artillería de defensa aérea.
El 8 de abril de 2020, el vuelo de Saab probó su nuevo radar de banda X AESA diseñado por GaN en un caza JAS-39 Gripen . [39] Saab ya ofrece productos con radares basados en GaN, como el radar Giraffe , Erieye , GlobalEye y Arexis EW. [40] [41] [42] [43] Saab también ofrece importantes subsistemas, ensamblajes y software para AN / TPS-80 (G / ATOR) [44]
Nanoescala
Se proponen nanotubos y nanocables de GaN para aplicaciones en electrónica a nanoescala , optoelectrónica y aplicaciones de detección bioquímica. [45] [46]
Potencial de la espintrónica
Cuando se dopa con un metal de transición adecuado como el manganeso , el GaN es un material espintrónico prometedor ( semiconductores magnéticos ). [23]
Síntesis
Sustratos a granel
Los cristales de GaN pueden cultivarse a partir de una masa fundida de Na / Ga mantenida a 100 atmósferas de presión de N 2 a 750 ° C. Como Ga no reacciona con N 2 por debajo de 1000 ° C, el polvo debe estar hecho de algo más reactivo, generalmente de una de las siguientes maneras:
- 2 Ga + 2 NH 3 → 2 GaN + 3 H 2 [47]
- Ga 2 O 3 + 2 NH 3 → 2 GaN + 3 H 2 O [48]
El nitruro de galio también se puede sintetizar inyectando gas amoniaco en galio fundido a 900-980 ° C a presión atmosférica normal. [49]
Epitaxia de haz molecular
Comercialmente, los cristales de GaN pueden cultivarse usando epitaxia de haz molecular o epitaxia en fase vapor metalorgánica . Este proceso puede modificarse aún más para reducir las densidades de dislocación. Primero, se aplica un haz de iones a la superficie de crecimiento para crear una rugosidad a nanoescala. Luego, se pule la superficie. Este proceso tiene lugar al vacío.
Seguridad
El polvo de GaN irrita la piel, los ojos y los pulmones. Los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de nitruro de galio (como trimetilgalio y amoníaco ) y los estudios de monitoreo de la higiene industrial de las fuentes de MOVPE se informaron en una revisión de 2004. [50]
Bulk GaN no es tóxico y es biocompatible. [51] Por lo tanto, puede usarse en los electrodos y la electrónica de implantes en organismos vivos.
Ver también
- Diodo Schottky
- Dispositivos semiconductores
- Epitaxia de haz molecular
- Epitaxia
Referencias
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enlaces externos
- Archivo de datos Ioffe
NH 3 N 2 H 4 | Él (N 2 ) 11 | ||||||||||||||||
Li 3 N | Ser 3 N 2 | BN | β-C 3 N 4 g-C 3 N 4 C x N y | N 2 | N x O y | NF 3 | Nordeste | ||||||||||
Na 3 N | Mg 3 N 2 | AlN | Si 3 N 4 | PN P 3 N 5 | S x N y SN S 4 N 4 | NCl 3 | Arkansas | ||||||||||
K 3 N | Ca 3 N 2 | ScN | Estaño | VN | CrN Cr 2 N | Mn x N y | Fe x N y | Estafa | Ni 3 N | CuN | Zn 3 N 2 | GaN | Ge 3 N 4 | Como | Se | NBr 3 | Kr |
Rb | Sr 3 N 2 | YN | ZrN | NbN | β-Mo 2 N | Tc | Ru | Rh | PdN | Ag 3 N | CdN | Posada | Sn | Sb | Te | NI 3 | Xe |
Cs | Ba 3 N 2 | Hf 3 N 4 | Broncearse | WN | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg 3 N 2 | TlN | Pb | Compartimiento | Correos | A | Rn | |
P. | Ra 3 N 2 | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Monte | Ds | Rg | Cn | Nueva Hampshire | Florida | Mc | Lv | Ts | Og | |
↓ | |||||||||||||||||
La | CeN | Pr | Dakota del Norte | Pm | Sm | UE | GdN | Tuberculosis | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | |||
C.A | Th | Pensilvania | U 2 N 3 | Notario público | Pu | Soy | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Maryland | No | Lr |