질화 갈륨

Gallium nitride
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질화 갈륨
GaNcrystal.jpg
GaN Wurtzite polyhedra.png
이름
IUPAC 이름
질화 갈륨
식별자
3D 모델(JSmol)
켐스파이더
ECHA 정보 카드 100.042.830 Edit this at Wikidata
유니
  • InChI=1S/Ga.N checkY
    키: JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N checkY
  • InChI=1/Ga.N/rGaN/c1-2
    키: JMASRVWKEDWRBT-MDMVGKAAI
  • [가] #N
  • [Ga+3] [N-3]
특성.
GaN
몰 질량 83.730 g/g[1]
외모 황색 가루
밀도 6.1 g/cm3[1]
녹는점 1600°C[1][2] 이상
불용해[3]
밴드갭 3.4 eV (300 K, 직접)
전자 이동도 1500 cm2/(V·s) (300 K)[4]
열전도율 1.3 W/(cm·K) (300 K)[5]
2.429
구조.
워자이트
C6v4-P63mc
a = 3.15 †, c = 5.15[6] †
사면체
열화학
- 110.2 kJ/mol[7]
위험 요소
플래시 포인트 불연성
관련 화합물
기타 음이온
 인화 갈륨
비화 갈륨
안티몬화 갈륨
기타 캐티온
 질화 붕소
질화 알루미늄
질화 인듐
관련 화합물
 비화 알루미늄 갈륨
비화인듐갈륨
갈륨 비소 인화물
질화 알루미늄 갈륨
질화 인듐 갈륨
달리 명시되지 않은 한 표준 상태(25°C[77°F], 100kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.

갈륨 질화(.mw-parser-output .template-chem2-su{디스플레이:inline-block, font-size:80%;line-height:1;vertical-align:}-0.35em .mw-parser-output .template-chem2-su>, 경간{디스플레이:블록}.mw-parser-output sub.template-chem2-sub{ 커진 font-size:80%;vertical-align:-0.35em}.mw-parser-output sup.template-chem2-sup{ 커진 font-size:80%;vertical-align:0.65em}GaN)은 a 이진 III/V 직접적인 밴드 갭. 반도체 일반적으로 파란 색 light-emitting 다이오드에서 1990년대부터 사용된다.그 화합물은 Wurtzite 결정 구조를 가진 매우 단단한 물질이다.3.4 eV의 넓은 밴드 갭은 광전자,[8][9] 고출력 및 고주파 디바이스의 애플리케이션에 특별한 속성을 제공합니다.예를 들어 GaN은 비선형광주파수 더블링을 필요로 하지 않고 바이올렛(405 nm) 레이저 다이오드를 가능하게 하는 기판이다.

이온화 방사선에 대한 민감도는 (다른 III족 질화물과 마찬가지로) 낮기 때문에 인공위성의 태양전지 어레이에 적합한 재료이다.고방사선 환경에서 [10]기기가 안정성을 보이므로 군사 및 우주 애플리케이션도 혜택을 받을 수 있다.

GaN 트랜지스터는 갈륨 비소(GaAs) 트랜지스터보다 훨씬 높은 온도에서 작동하며 훨씬 높은 전압에서도 작동하기 때문에 마이크로파 주파수에서 이상적인 전력 증폭기를 만들 수 있습니다.또한 GaN은 THz [11]장치에 유망한 특성을 제공합니다.높은 전력 밀도와 전압 파괴 한계로 인해 GaN은 5G 셀룰러 기지국 애플리케이션에서도 유망한 후보로 부상하고 있습니다.

물리 속성

GaN 결정

GaN은 매우 단단하고([13]Knoop 경도 14.21[12]: 4 GPa), 기계적으로 안정된 광대역격 반도체 재료로서 열용량과 열전도성이 높다.순수한 형태에서는 균열에도 강하고 격자 [13]상수의 불일치에도 불구하고 사파이어 또는 탄화 규소의 박막으로 퇴적될 수 있습니다.GaN은 실리콘(Si) 또는 산소를 n형[14], 마그네슘(Mg)을 p형으로 [15]도핑할 수 있다.하지만, Si와 Mg 원자는 GaN 결정의 성장 방식을 바꾸고, 인장 응력을 도입하여 그것들을 [16]부서지게 만듭니다.질화 갈륨 화합물은 또한 평방 센티미터 [17]당 10에서10 10개의 결점 정도로8 높은 전위 밀도를 갖는 경향이 있다.GaN의 넓은 밴드 간격 거동은 전자 밴드 구조, 전하 점유율 및 [18]화학 결합 영역의 특정 변화와 관련이 있습니다.

미국 육군연구연구소(ARL)는 1999년 [19]GaN의 높은 전계 전자속도를 최초로 측정했다.ARL의 과학자들은 실험적으로 225 kV/cm의 전기장에서 달성한 2.5 피코초와 함께 1.9 x 107 cm/s의 최고 정상 상태 속도를 얻었다.이 정보를 사용하여 전자 이동도를 계산하여 GaN 장치 설계에 대한 데이터를 제공하였다.

개발

저온에서 [20]완충층을 퇴적시킴으로써 결정성이 높은 GaN을 얻을 수 있다.이러한 고품질 GaN은 p-type [15]GaN, p-n 접합 블루/UV-LED[15] 및 상온 자극[21] 방출(레이저 [22]작용에 필수)의 발견으로 이어졌다.이를 통해 고성능 청색 LED와 긴 수명 보라색 레이저 다이오드가 상용화되었고, UV 검출기 및 고속 전계 효과 트랜지스터와 같은 질화물 기반 장치가 개발되었습니다.

LED

고휘도 GaN 발광 다이오드(LED)에 의해 원색의 범위가 완성되어, 일광 가시 풀 컬러 LED 디스플레이, 화이트 LED, 블루 레이저 디바이스등의 애플리케이션이 가능하게 되었습니다.최초의 GaN 기반 고휘도 LED는 사파이어의 금속 유기 기상 에피택시(MOVPE)를 통해 증착된 GaN 박막을 사용했습니다.사용되는 다른 기판으로는 산화아연과 탄화규소(SiC)[23]의 격자 상수 불일치가 2%에 불과합니다.III족 질화물 반도체는 일반적으로 가시적인 단파장 및 UV 영역에서 광학 장치를 제작하는 가장 유망한 반도체 패밀리 중 하나로 인식된다.

GaN 트랜지스터 및 전원 IC

또한 GaN의 매우 높은 분해 전압,[24] 높은 전자 이동성 및 포화 속도는 Johnson의 높은 우수성을 입증하듯 GaN을 고출력 및 고온 마이크로파 애플리케이션에 이상적인 후보로 만들었습니다.GaN에 기반한 고출력/고주파 디바이스의 잠재적 시장에는 마이크로파 무선 주파수 파워앰프(고속 무선 데이터 전송에 사용되는 것 등)와 전력 그리드용 고전압 스위칭 디바이스가 있습니다.GaN 기반 RF 트랜지스터의 잠재적인 대량 시장 적용은 현재 사용되는 마그네트론을 대체하는 전자레인지의 마이크로파 소스로서 사용됩니다.밴드갭이 크다는 것은 GaN 트랜지스터의 성능이 실리콘 트랜지스터(~150°C[25])보다 높은 온도(~400°C[25])까지 유지된다는 것을 의미한다.최초의 질화 갈륨 금속 반도체 전계효과 트랜지스터(GaN MESFET)는 1993년에[26] 실험적으로 시연되어 현재 활발하게 개발되고 있습니다.

2010년에는 최초의 확장 모드 GaN 트랜지스터가 일반에 [27]보급되었습니다.n채널 트랜지스터만 사용 [27]가능했습니다.이러한 디바이스는 스위칭 속도 또는 전력 변환 효율이 중요한 애플리케이션에서 전력 MOSFET를 대체하도록 설계되었습니다.이러한 트랜지스터는 [28]제조업체에서 GaN-on-Si라고 부르는 표준 실리콘 웨이퍼 위에 얇은 GaN을 성장시켜 제작됩니다.이를 통해 FET는 실리콘 전력 MOSFET와 유사한 비용을 유지할 수 있지만 GaN의 우수한 전기적 성능을 제공합니다.인핸스먼트 모드 GaN 채널 HDET를 실현하기 위해 실현 가능한 것처럼 보이는 또 하나의 솔루션은 [29]GaN에 대해 허용 가능한 낮은 자연편파 미스매치의 4차 AlInGaN층을 사용하는 것이다.

GaN Power IC는 GaN FET, GaN 기반 드라이브 회로 및 회로 보호를 단일 표면 실장 [30]장치에 일체적으로 통합합니다.[31] 통합은 게이트 드라이브 루프가 기본적으로 임피던스가 0임을 의미하며, 이는 FET 전원 끄기 손실을 실질적으로 제거하여 효율성을 더욱 향상시킵니다.저전압 GaN 전력 IC를 만들기 위한 학술 연구는 홍콩과기대학(HKUST)에서 시작되었으며, 첫 번째 장치는 2015년에 시연되었다.상용 GaN 전력 IC 생산은 2018년부터 시작되었습니다.

CMOS 논리

2016년에 PMOS 및 NMOS 트랜지스터를 사용한 최초의 GaN CMOS 로직이 보고되었다(PMOS 및 NMOS 트랜지스터의 게이트 폭은 [32]각각 500μm, 50μm).

적용들

LED 및 레이저

GaN 기반의 보라색 레이저 다이오드는 Blu-ray 디스크 판독에 사용됩니다.GaN과 In(InGaN) 또는 Al(AlGaN)의 밴드갭과 In 또는 Al 대 GaN의 비율에 따라 혼합된 GaN은 빨간색에서 [23]자외선으로 변하는 발광다이오드(LED)를 제작할 수 있다.

트랜지스터 및 전원 IC

GaN 고전자 이동성 트랜지스터(Ferdinand-Braun-Institut제)

GaN 트랜지스터는 고주파, 고전압,[citation needed] 고온 및 고효율 애플리케이션에 적합합니다.GaN은 전류 전달에 효율적이며, 이는 궁극적으로 열로 손실되는 에너지가 적다는 것을 의미합니다.[33]

GaN HEMT는 2006년부터 시판되고 있으며, 고효율과 고전압 작동으로 인해 다양한 무선 인프라스트럭처 애플리케이션에서 즉시 사용할 수 있게 되었습니다.게이트 길이가 짧은 2세대 디바이스는 고주파 통신 및 항공우주 애플리케이션에 [34]대응합니다.

GaN 기반 MOSFET 및 MESFET 트랜지스터는 특히 자동차 [35]및 전기 자동차 분야에서 고출력 전자제품의 손실을 줄이는 등의 장점을 제공합니다.2008년부터 실리콘 [35]기판 위에 형성될 수 있습니다.고전압(800V) 쇼트키 장벽 다이오드([35]SBD)도 제작됐다.

통합 GaN 전력 IC의 고효율과 고전력 밀도를 통해 모바일 및 노트북 충전기, 가전제품, 컴퓨팅 장비 및 전기차를 포함한 애플리케이션의 크기, 중량 및 부품 수를 줄일 수 있습니다.

순수 GaN이 아닌 GaN 기반 전자제품은 소비자 애플리케이션뿐만 아니라 전력 전송 유틸리티에서도 에너지 소비를 대폭 줄일 수 있습니다.

전력 서지로 인해 꺼지는 실리콘 트랜지스터와 달리 GaN 트랜지스터는 일반적으로 고갈 모드 장치(즉, 게이트 소스 전압이 0일 때 켜짐/저항)입니다.통상 오프([36][37]또는 E 모드) 동작에 도달하기 위한 몇 가지 방법이 제안되었으며, 이는 전력 전자제품에서 사용하는 데 필요합니다.

  • 게이트 아래에 불소 이온 주입(F-ion의 음전하가 채널의 고갈을 촉진함)
  • AlGaN의 리세스가 있는 MIS형 게이트 스택 사용
  • 통상 온의 GaN 트랜지스터와 저전압 실리콘 MOSFET로 구성된 캐스케이드 쌍의 통합
  • AlGaN/GaN 헤테로 접합 위에 p형 층 사용

레이더

또한 액티브 전자 스캔 [38]어레이 레이더와 같은 군사용 전자제품에도 사용됩니다.

탈레스 그룹은 GaN 기술을 이용하여 2010년에 그라운드 마스터 400 레이더를 도입했습니다.2021년에서 Thales 레이더 시스템에 운영 5만명 이상의 GaN Transmitters을 넣어 두어라.[39]

미 육군은 AN/TPQ-53 레이더 시스템은 AN/TPQ-36고 AN[40][41]더 AN/TPQ-53 레이더 시스템, 분류하다, 육상, 및 적부대 간접 화력 시스템뿐만 아니라 무인 항공 시스템을 찾도록 설계되어 2중거리 레이더 시스템을 대체하기에 GaNactive-device 기술 통합하기 위해 록히드 마틴의 자금을 댔다.[42]그 AN/TPQ-53 레이더 시스템이 맡았고, AN/TPQ-36고 AN/TPQ-37 시스템에 비해 승무원 크기 줄였다 강화된 성능, 기동성, 증가된 신뢰도와 참을 수 있음. 낮은 라이프 사이클 비용을 제공했다.[40]

록히드마틴은 2018년 라트비아와 [43]루마니아에 배치된 TPS-77 다역할 레이더 시스템 등 GaN 기술로 전술작전레이더를 실전배치했다.2019년 록히드마틴의 협력사인 ELTA Systems Limited는 GaN 기반의 ELM-2084 Multi Mission Radar를 개발하여 항공기와 탄도 목표물을 탐지 및 추적하는 동시에 미사일 요격이나 방공포에 대한 사격 통제 지침을 제공하였다.

2020년 4월 8일, Saab 비행은 새로운 GaN 설계 AESA X-밴드 레이더를 JAS-39 그리펜 [44]전투기로 시험했다.Saab은 이미 GaN 기반의 레이더를 탑재한 GaN 레이더, Erieye, GlobalEye, Arexis [45][46][47][48]EW 등의 제품을 제공하고 있다.Saab은 AN/TPS-80(G/ATOR)[49]용 주요 서브시스템, 어셈블리 및 소프트웨어도 제공합니다.

나노스케일

GaN 나노튜브 및 나노와이어는 나노스케일 전자, 광전자 및 생화학 감지 [50][51]응용 분야에 적용할 것을 제안합니다.

Spintronics의 가능성

망간과 같은 적절한 전이 금속을 도핑하면 GaN은 유망한 스핀트로닉스 재료(자기 반도체)[23]입니다.

합성

벌크 기판

GaN 결정은 750°C에서 N의2 압력 100기압 하에서 유지된 용융 Na/Ga 용융에서 배양할 수 있습니다.Ga는 1000°C 미만의 N과2 반응하지 않으므로 분말은 보다 반응성이 높은 물질로 제조되어야 하며 일반적으로 다음 방법 중 하나를 사용해야 합니다.

2 Ga + 2 NH3 → 2 GaN + 3 H2[52]
GaO23 + 2 NH3 → 2 GaN + 3 HO2[53]

질화 갈륨은 900~980°[54]C의 정상기압에서 암모니아 가스를 용융 갈륨에 주입하여 합성할 수도 있다.

금속-유기 기상 에피택시

파란색, 흰색, 자외선 LED는 MOVPE에 의해 산업 규모로 성장합니다.전구체는 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨을 포함한 암모니아이며, 운반 가스는 질소 또는 수소입니다.성장온도는 800~1100°C입니다.트리메틸알루미늄 및/또는 트리메틸인듐의 도입은 양자정 및 기타 종류의 이종구조를 성장시키기 위해 필요하다.

분자선 에피택시

상업적으로 GaN 결정은 분자선 에피택시 또는 금속유기증기상 에피택시를 사용하여 배양할 수 있다.이 프로세스는 전위 밀도를 낮추기 위해 추가로 수정할 수 있습니다.먼저 성장면에 이온빔을 인가하여 나노크기의 거칠기를 생성한다.그 후, 표면이 광택이 납니다.이 과정은 진공상태에서 이루어집니다.연마 방법에서는 일반적으로 액체 전해액과 자외선 조사를 사용하여 웨이퍼에서 얇은 산화층을 기계적으로 제거할 수 있습니다.용제가 없고 [55]연마 전에 방사선이 필요하지 않은 고체 고분자 전해질을 사용하는 보다 최근의 방법이 개발되었습니다.

안전.

GaN 먼지는 피부, 눈, 폐를 자극합니다.질화 갈륨 선원(트리메틸갈륨, 암모니아 등)의 환경, 건강 및 안전 측면과 MOVPE 선원의 산업 위생 모니터링 연구는 2004년 [56]리뷰에서 보고되었다.

벌크 GaN은 무독성으로 [57]생체 적합성입니다.따라서 생체 내 임플란트의 전극 및 전자제품에 사용될 수 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

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외부 링크

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