Elektronegatiivisuusarvojen keskisuuren eroavuuden (0,4–2,0) vuoksi galliumin ja typen välille muodostuu poolinenkovalenttinen kolmoissidos. Alkuaineparista johtuen yhdisteellä esiintyy puolijohteen ominaisuuksia. Galliumnitridin kiderakenne on heksagonaalisen sinkkivälkkeen kuutiorakenteen mukainen.
Galliumnitridi on haitallista ihmiselle ja ympäristölle, koska vedessä ja kosteissa olosuhteissa siitä muodostuu ammoniakkia ja galliumin oksideja. Lisäksi sen valmistuksessa käytettävät organometalliyhdisteet ovat haitallisia kemikaaleja, jotka muodostavat helposti joko hapen oksidejaselvennä tai radikaaliyhdisteitä.
Valmistus
Galliumnitridikide.
Galliumnitridiä voidaan valmistaa lisäämällä galliumsulatteeseen typpikaasua tai ylikriittistä ammoniakkia. Toisena keinona on galliumnitridikiteiden kasvattaminen nanoteknologisesti substraatin, esimerkiksi safiirin, päälle käyttämällä organometalleja ja ammoniakkia. Tällöin substraatin pinnalle muodostuu olosuhteista riippuen joko ohutlevypinnoitusta tai GaN-kvanttipisteitä (quantum dots), jotka toimivat hyvinä sähkönjohtimina. Päällystettä voidaan käsitellä laserilla tai puskuroida valmistusvaiheessa halkeamia ehkäisevällä alumiininitridillä (AlN) sekä puhdistaa vetykaasulla.
Käyttö
Galliumnitridin kemiallisia ja fysikaalisia ominaisuuksia on tutkittu vuosikymmenten ajan sen puolijohdemaisen käyttäytymisen (sähkön- ja lämmönjohtokyvyn) vuoksi. Lisäksi nitridit ovat kemiallisesti ja termisesti kestävämpiä kuin muut puolijohteisiin kuuluvat arsenidit, antimonidit ja fosfidit. Kestävyydestä johtuen galliumnitridiä käytetään ankaria ja termisesti haastavia ympäristöolosuhteita tarkkailevissa havaitsimissa.
Galliumnitridiä käytetään lisäksi myös muissa elektronisissa laitteissa, esimerkiksi lasereissa, LED-valoissa, diodeissa sekä transistoreissa. DVD-soittimissa galliumnitridistä valmistettu InGaN-laser parantaa laitteen tiedonkäsittelykykyä. Tutkimusten perusteella galliumnitridiä voidaan tulevaisuudessa soveltaa myös valosähkö- ja polttokennoissa vedyn tuotannossa, jossa lähtöaineena toimii elektrolyysillä hajotettava vesi.
Ongelmat
Galliumnitridin käyttöä rajoittavat sen konduktiiviset ja termiset ominaisuudet. Yksittäisen GaN-kiteen kasvatukseen vaikuttavat typen tasapainohöyrynpaine galliumnitridin sulamispisteessä, minkä seurauksena pinnoitteesta voi tulla epätasainen, koostumus voi vaihdella tai pinnoille voi muodostua halkeamia. Galliumnitridin toiminnan parantamiseksi sitä täytyy käsitellä lisäaineilla, jotka täyttävät sen n- ja p-tyypin puolijohdeominaisuudet. Yleisimpiä n-tyypin konduktiivisuutta parantavia lisäaineita ovat pii, germanium ja seleeni. P-tyypin lisäaineita ovat puolestaan sinkki, magnesium tai kalsium.
Lisäaineiden ohella galliumnitridin sähköisiä ja termisiä ominaisuuksia voidaan parantaa muodostamalla siitä puolijohdeseoksia alumiininitridin (AlN), indiumnitridin (InN) tai mangaanin (Mn) avulla. Aineiden lisäyksen seurauksena muodostuu alumiinigalliumnitridiä (AlGaN), indiumgalliumnitridiä (InGaN) tai galliummangaaninitridiä (GaMnN), joiden kemialliseen koostumukseen vaikuttaa yhdisteiden seossuhteet. Seosten sekä substraatin käyttö kuitenkin samalla lisäävät tietyissä suhteissa GaN-päällysteen heterogeenisyyttä. Yhdisteiden eri sähkön- ja lämmönjohtavuuskertoimista sekä lämpölaajenemiskertoimista johtuen hilarakenteisiin voi muodostua jännityskohtia, jotka voivat heikentää pinnoitteen toimintaa tai haurastuttaa sitä.
Yhdisteiden koosta johtuen päällysteiden kriittistä kerrospaksuutta tutkitaan röntgendiffraktiolla, koska elektronien liikkuvuus ja niiden aaltofunktioiden päällekkäisyys vähenevät seosmassan kasvaessa. Myös puolijohdemateriaaleissa sijaitsevien elektroneilla täytettävien aukkojen koko pienenee kerrospaksuuden kasvaessa, koska kerrokset painautuvat tiiviimmin kasaan. Kerrostumat vaikuttavat myös galliumnitridipäällysteen resistiivisiin sekä optisiin ominaisuuksiin, minkä vuoksi kyseisiä ominaisuuksia tutkitaan puolestaan UV-emissiospektrometrialla sekä valosähköisten ja luminesenssisten mittausten avulla.
Lähteet
Tähän artikkeliin tai sen osaan on merkitty lähteitä, mutta niihin ei viitata. Älä poista mallinetta ennen kuin viitteet on lisätty. Voit auttaa Wikipediaa lisäämällä artikkelille asianmukaisia viitteitä. Lähteettömät tiedot voidaan kyseenalaistaa tai poistaa.
Akasaki, I. & Amano, H. (1997). Crystal Growth and Conductivity Control of Group III Nitride Semiconductors and Their Application to Short Wavelength Light-Emitters, Japanese Journal of Applied Physics, 36(Part 1, No. 9A), s. 5393–5408.
Amano, H.; Asahi, T. & Akasaki, I. (1990). Stimulated Emission Near Ultraviolet at Room Temperature from a GaN Film Grown on Sapphire by MOVPE Using an AlN Buffer Layer, Japanese Journal of Applied Physics, 29(Part 2, No. 2), s. L205–L206.
Amano, H. ym. (1989). P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI), Japanese Journal of Applied Physics, 28(Part 2, No. 12), s. L2112–L2114.
Arakawa, Y. (2002). Progress in GaN-Based Quantum Dots for Optoelectronics Applications, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 8(4), s. 823–832.
Aydogu, S. & Ozbas, O. (2005). The Investigation of Mole Fraction Dependence of Mobility for InxGa1-xN Alloy, Materials Science in Semiconductor Processing, 8(4), s. 536–539.
Beach, J. P. ym. (2002). Band Gaps and Lattice Parameters of 0.9 μm Thick InxGa1-xN Films for 0≤x≤0.140, Journal of Applied Physics, 91(8), s. 5190–5194.
Bhat, J. S.; Nesargi, R. A. & Mulimani, B. G. (2009). Energy Loss Rate of Hot Electrons Due to Confined Acoustic Phonon Modes in a Freestanding Quantum Well Structure, Journal of Applied Physics, 106(3), s. 0333701/1–033701/7.
Callahan, M. ym. (2006). GaN Single Crystals Grown on HVPE Seeds in Alkaline Supercrical Ammonia, Journal of Materials Science, 41(5), s. 1399–1407.
Davis, S. (2010). Enhancement Mode GaN MOSFET Delivers Impressive Performance, Power Electronic Technology, 36(3).
Di Carlo, A. (2001). Tuning Optical Properties of GaN-Based Nanostructures by Charge Screening, Physica Status Solidi (a), 183(1), s.81-85.
Dias Da Silva, J. H. ym. (2007). Structural and Vibrational Analysis of Nanocrystalline Ga1-xMnxN Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering, Journal of Applied Physics, 102(6), s. 063526/1–063526/6.
Dora, Y. ym. (2006). High Breakdown Voltage Achieved on AlGaN/GaN HEMTs with Integrated Slant Field Plates, IEEE Electron Device Letters, 27(9), s. 713–715.
Goldberger, J. ym. (2003). Single-Crystal Gallium Nitride Nanotubes, Nature, 422(6932), s. 599–602.
Haavisto, A. ym. (2003). MAOL-taulukot. Helsinki, Otava. s. 133–134.
Harafuji, K.; Tsuchiya, T. & Kawamura, K. (2004). Molecular Dynamics Simulation for Evaluating Melting Point of Wurtzite-Type GaN Crystal, Journal of Applied Physics, 96(5), s. 2501–2512.
Morkoc, H. ym. (1994). Large-Band-Gap SiC, III-V Nitride and II-VI ZnSe-Based Semiconductor Device Technologies, Journal of Applied Physics, 76(3), s. 1363–1398.
Moss, D. ym. (2009). Elasto-Optical Properties of Zinc-Blende (Cubic) GaN Measured by Picosecond Acoustics, Journal of Physics D: Applied Physics, 42(11), s. 115412/1–115412/4.
Park, S. H.; Lee, Y. T. & Park, J. (2009). Optical Properties of Type-II InGaN/GaN Quantum Wells, Optical and Quantum Electronics, 41(11-13), s. 779–785.
Shenai-Khatkhate, D. V. ym. (2004). Environment, Health and Safety Issues for Sources Used in MOVPE Growth of Compound Semiconductors, Journal of Crystal Growth, 272(1-4), s. 816–821.
Shishehchi, S.; Asgari, A. & Kheradmand, R. (2009). The Effect of Temperature on the Recombination Rate of AlGaN/GaN Light Emitting Diodes, Optical and Quantum Electronics, 41(7), s. 525–530.
Terao, S. ym. (2001). Fracture of AlxGa1-xN/GaN Heterostructure - Compositional and Impurity Dependence, Japanese Journal of Applied Physics, 40(Part 2, No. 3A), s. L195–L197.
Tro, Nivaldo J. (2008). Chemistry: A Molecular Approach. New Jersey, Pearson Education, Prentice Hall. s. 377–381.
