Materiali elettronici essenziali: Parte 4 - Composti del gallio

1 Introduzione

I composti a base di gallio, tra cui l'ossido di gallio (Ga2O3), l'arseniuro di gallio (GaAs) e il nitruro di gallio (GaN), hanno suscitato una notevole attenzione nel campo dei materiali elettronici e semiconduttori grazie alle loro eccezionali proprietà fisiche e chimiche. Questi materiali presentano una vasta gamma di caratteristiche elettriche, ottiche e termiche, che li rendono indispensabili per le tecnologie avanzate.

L'ossido di gallio (Ga2O3), con il suo bandgap ultra ampio e l'elevato campo elettrico di breakdown, sta emergendo come un materiale promettente per l'elettronica ad alta potenza, i fotorivelatori ultravioletti e altre applicazioni optoelettroniche. L'arseniuro di gallio (GaAs), un semiconduttore a bandgap diretto con mobilità degli elettroni superiore e prestazioni ad alta frequenza, è da tempo una pietra miliare nei dispositivi optoelettronici come laser, LED e celle fotovoltaiche. Il nitruro di gallio (GaN), noto per il suo ampio bandgap, l'elevata conduttività termica e l'eccellente efficienza, ha rivoluzionato l'elettronica di potenza e i sistemi di comunicazione ad alta frequenza.

Le tecniche di sintesi di questi materiali - che vanno dalla deposizione da vapore chimico e dall'epitassia a fascio molecolare a processi ibridi innovativi - giocano un ruolo fondamentale nell'ottenere la qualità del cristallo e le prestazioni desiderate. Poiché i composti di gallio continuano a guidare i progressi nelle tecnologie di potenza, optoelettronica e rilevamento, la comprensione della loro struttura, delle loro proprietà e delle loro applicazioni è diventata fondamentale per i ricercatori e i professionisti del settore.

Questo articolo fornisce una panoramica completa delle caratteristiche strutturali, delle proprietà fisiche, dei metodi di fabbricazione e delle applicazioni di Ga2O3, GaAs e GaN, evidenziandone gli attuali progressi e le prospettive nel panorama dei semiconduttori in rapida evoluzione.

2 Ossido di gallio (Ga2O3)

L'ossido di gallio, con formula chimica Ga2O3, è un composto inorganico con formula chimica Ga2O3. Si tratta di un semiconduttore a banda larga con Eg=4,9eV, le cui proprietà di conduttività e luminescenza hanno da tempo attirato l'attenzione. Il Ga2O3 è un materiale semiconduttore ossido trasparente con ampie prospettive di applicazione nei dispositivi optoelettronici. Può essere utilizzato come strato isolante nei materiali semiconduttori a base di Ga, come filtro UV e come rivelatore chimico di O2.

Fig. 1 Polvere di ossido di gallio

2.1 Struttura cristallina dell'ossido di gallio

Le cinque strutture cristalline dell'ossido di gallio sono β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 e ε-Ga2O3.

Il β-Ga2O3, noto anche come ossido di gallio monoclino, ha una struttura cristallina monoclina con il gruppo spaziale P21 (a=12,203, b=5,671, c=6,524 e β=105,76). Il β-Ga2O3 è costituito da unità di ossido di gallio, che hanno le caratteristiche di elevata mobilità degli elettroni, ampio gap energetico diretto e buona stabilità termica. Attualmente, il β-Ga2O3 è utilizzato principalmente nei settori dei dispositivi semiconduttori ad alta potenza e dei dispositivi optoelettronici nell'ultravioletto profondo.

L'α-Ga2O3, noto anche come ossido di gallio a sistema cristallino tetragonale, ha una struttura cristallina tetragonale con gruppo spaziale C4V (a=12,22, c=5,86). L'α-Ga2O3 è un eccellente materiale ottico con elevata trasmittanza luminosa e buona resistenza alla corrosione. Ha un'ampia gamma di applicazioni in campi quali l'optoelettronica e le comunicazioni optoelettroniche.

Il γ-Ga2O3, noto anche come ossido di gallio a sistema cristallino cubico, ha una struttura cristallina a sistema cubico con gruppo spaziale Ia3 (a=13,54). Il γ-Ga2O3 ha un'elevata trasmittanza ottica, una bassa densità di difetti e un'elevata permeabilità magnetica, che lo rendono un materiale potenziale per l'uso in dispositivi magneto-ottici e rivelatori UV.

Il δ-Ga2O3, noto anche come ossido di gallio a sistema cristallino ortorombico, ha una struttura cristallina ortorombica con il gruppo spaziale Pnma (a=7,794, b=5,580, c=5,395). Il δ-Ga2O3 è un materiale con un elevato bandgap, eccellenti proprietà fotovoltaiche e buona stabilità fisico-chimica, e ha un'ampia gamma di applicazioni.

ε-Ga2O3, noto anche come ossido di gallio con sistema cristallino tripartito, ha una struttura cristallina tripartita con gruppo spaziale R3c (a=12,170, c=24,812). ε-Ga2O3 è un materiale con un'elevata mobilità dei portatori e un'alta stabilità termica e ha buone proprietà di risposta ai raggi UV. Attualmente, ε-Ga2O3 è utilizzato principalmente nei rivelatori UV e nell'elettronica di potenza.

Tabella 1 Confronto tra le diverse strutture di Ga2O3

2.2 Proprietà fisiche e chimiche dell'ossido di gallio

Il Ga2O3 può reagire con il fluoro gassoso per produrre GaF3, e il Ga2O3 disciolto in HF al 50% dà il prodotto GaF3-3H2O.Il Ga2O3 è solubile in acido nitrico diluito leggermente caldo, acido cloridrico diluito e acido solforico diluito. Dopo la combustione, il Ga2O3 non è solubile in questi acidi e nemmeno nell'acido nitrico concentrato, né in soluzioni acquose di basi forti, e può essere reso solubile solo fondendo NaOH, KOH o KHSO4 e K2S2O7 insieme. Il cloruro di gallio si produce fondendo con un eccesso doppio di NH4Cl a 250°C. Al calore rosso, il Ga2O3 reagisce con il quarzo per formare un corpo vetroso, ma al raffreddamento non si formano nuovi composti. Reagisce anche con i crogioli di porcellana smaltata al calore rosso.

In condizioni di riscaldamento, il Ga2O3 può reagire con molti ossidi metallici. È stata determinata la struttura cristallina del gallato M(I)GaO2 ottenuto per reazione con ossidi di metalli alcalini (al di sopra dei 400°C) e, come Al2O3 e Ln2O3, reagisce con MgO, ZnO, CoO, NiO e CuO per formare il tipo spinello M(II)Ga2O4. Il prodotto della reazione con gli ossidi metallici trivalenti, M(III)GaO3, presenta solitamente strutture di tipo calcocitico o granato (ad esempio, il gallato di lantanidi LnGaO3). Sono disponibili anche ossidi ternari più complessi. Gli ossidi misti di gallio sono stati studiati per l'uso nei laser, nella fosforescenza e nei materiali luminescenti. Si ritiene che le proprietà luminescenti dei sali di gallio siano attribuite ai vacanti di ossigeno. Poiché il FeGaO3 ha intriganti proprietà elettromagnetiche (ad esempio, piezoelettricità e ferromagnetismo), la sua sintesi, stabilità e struttura cristallina sono state ampiamente studiate.

Come materiale semiconduttore, l'ossido di gallio ha una banda proibita ultra larga, con un'intensità di campo elettrico di breakdown molto più alta di quella di altri materiali semiconduttori a banda larga. Ha una resistenza di accensione più bassa allo stesso livello di tensione, che riduce la perdita di energia. Sebbene la conducibilità termica dell'ossido di gallio sia di per sé bassa, il problema della dissipazione del calore può essere risolto utilizzando l'incapsulamento e altri mezzi, che contribuiscono al funzionamento stabile del dispositivo ad alta densità di potenza. I dispositivi all'ossido di gallio possono funzionare anche a temperature più elevate e sono adatti ad ambienti difficili.

2.3 Preparazione dell'ossido di gallio

1. Metodo di riduzione diretta: Questo metodo permette di ottenere il nitruro di gallio facendo reagire l'azoto con il gallio metallico, per poi ossidarlo in ossigeno in ossido di gallio. Questo metodo consente di ottenere ossido di gallio di relativa elevata purezza, ma il processo è complicato, richiede temperature elevate e ambienti ad alta pressione e il costo di produzione è elevato.

2. Metodo delladeposizione chimica da vapore: Questo metodo prepara ossido di gallio di elevata purezza trasportando una miscela di gas in una camera di reazione, dove avviene una reazione chimica ad alta temperatura. I gas di reazione comunemente utilizzati includono il tricloruro di gallio (GaCl3).

3. Metodo acido: Questo metodo consiste nelle seguenti fasi:

• Ossidazione: aggiungere la materia prima liquida al reattore, aggiungere acqua regia a goccia e mescolare, controllare la temperatura a 80-85℃, tempo di reazione di 8±1 ore.
• Neutralizzazione: La soluzione di Ga(NO3)3 e GaCl3 generata viene immessa nel tamburo di reazione, si aggiunge ammoniaca e si agita per neutralizzarla a pH 7-7,5 e la temperatura del bagno d'acqua viene controllata a 60-70℃.
• Filtrazione: La soluzione dopo la reazione di neutralizzazione è stata filtrata attraverso un panno filtrante per ottenere il precipitato di idrossido di gallio.
• Lavaggio: il precipitato di idrossido di gallio viene lavato 5-6 volte con acqua di elevata purezza e poi filtrato.
• Essiccazione: Dopo il lavaggio, l'idrossido di gallio viene messo nel forno di essiccazione per asciugare l'acqua; la temperatura di essiccazione è di 150℃ e il tempo di essiccazione è di 20±2 ore.
• Tostatura: Dopo l'essiccazione, l'idrossido di gallio viene messo nel forno di arrostimento per arrostire e disidratare; la temperatura di arrostimento è di 600-700℃ e il tempo di arrostimento è di 3±0,5 ore.
• Macinazione: Dopo la tostatura, l'ossido di gallio viene macinato da un macinino per raggiungere la maglia richiesta.
• Imballaggio: Imballaggio sotto vuoto dei prodotti nel magazzino

2.4 Applicazioni dell'ossido di gallio

1. Elettronica di potenza

L'ossido di gallio ha un'intensità di campo elettrico di breakdown fino a 8MV/cm, molto superiore a quella di altri materiali semiconduttori a banda larga, che gli conferisce un vantaggio significativo negli scenari applicativi ad alta tensione, alta frequenza e alta potenza. Inoltre, presenta una minore resistenza di accensione allo stesso livello di tensione, che riduce la perdita di energia e migliora l'efficienza di conversione dell'energia. Sebbene l'ossido di gallio abbia di per sé una bassa conducibilità termica, il problema della dissipazione del calore può essere risolto attraverso l'incapsulamento e altri mezzi, che contribuiscono al funzionamento stabile del dispositivo ad alte densità di potenza. Allo stesso tempo, i dispositivi in ossido di gallio possono funzionare a temperature più elevate e adattarsi ad ambienti difficili. Pertanto, l'ossido di gallio ha un'ampia gamma di prospettive di applicazione nel campo dei dispositivi elettronici di potenza, come i sistemi di azionamento dei motori per i veicoli elettrici e i sistemi di trasmissione CC ad alta tensione per le reti intelligenti.

2. Dispositivi optoelettronici

Rivelatore ultravioletto: L'ossido di gallio ha un grande potenziale di applicazione nel campo dell'optoelettronica e può essere utilizzato per produrre rivelatori ultravioletti ad alte prestazioni con elevata sensibilità e risposta rapida. Questi rivelatori svolgono un ruolo importante nel monitoraggio ambientale, nella biomedicina e in altri campi, come il rilevamento della concentrazione di ozono nell'atmosfera e del contenuto organico dell'acqua.

Diodo ad emissione di luce UV profonda (LED): La particolare struttura a bande energetiche del materiale ossido di gallio consente di emettere luce ultravioletta profonda con una lunghezza d'onda più breve e un'energia più elevata, che ha un effetto di sterilizzazione più significativo. Pertanto, il LED a ultravioletti profondi ha un'ampia gamma di applicazioni nella sterilizzazione e nei processi di produzione dei semiconduttori, come la fotolitografia.

Fig. 2 Confronto delle applicazioni di SiC, GaN e Ga2O3

3. Il sensore

Le particolari proprietà chimiche ed elettriche del materiale semiconduttore ossido di gallio gli conferiscono un'ampia gamma di applicazioni nel campo dei sensori. Può essere utilizzato per realizzare sensori di umidità, sensori di temperatura, sensori di gas, sensori di pressione e altri sensori per soddisfare le esigenze di diversi settori.

4. Altre applicazioni

Oltre ai settori sopra citati, il materiale semiconduttore ossido di gallio trova applicazione anche in altri campi. Ad esempio, può essere utilizzato per realizzare dispositivi di visualizzazione flessibili, materiali per batterie e così via. Inoltre, grazie ai continui progressi tecnologici e alla riduzione dei costi, l'ossido di gallio sta gradualmente espandendo le sue applicazioni anche nel campo delle radiofrequenze, come i sistemi radar, le comunicazioni satellitari e le stazioni base wireless.

3 Arsenuro di gallio (GaAs)

L'arseniuro di gallio è un composto inorganico con la formula chimica GaAs, un solido di colore nero-grigio con un punto di fusione di 1.238°C. Può essere trovato in aria a temperature inferiori a 600°C e non viene attaccato da acidi non ossidanti. Può essere stabilizzato in aria a temperature inferiori a 600°C e non viene eroso dagli acidi non ossidanti. L'arseniuro di gallio è un importante materiale semiconduttore. Appartiene ai semiconduttori composti Ⅲ-V. È una struttura reticolare di tipo sfalerite, costante reticolare 5,65 × 10-10m, larghezza di banda proibita 1,4 eV.

3.1 Struttura cristallina dell'arseniuro di gallio

La struttura cristallina dell'arseniuro di gallio appartiene al sistema cristallino cubico, struttura cubica a facce centrate (FCC), gli atomi di Ga si trovano all'apice del reticolo cubico a facce centrate, gli atomi di As si trovano nelle posizioni a facce centrate degli atomi di Ga vicini e gli atomi di Ga e As sono interconnessi tra loro da legami covalenti, il che rende l'arseniuro di gallio dotato di proprietà di conduzione elettronica. La costante reticolare del cristallo di GaAs è a=5,6535Å.

Fig. 3 Struttura cristallina dell'arseniuro di gallio

3.2 Proprietà fisiche e chimiche dell'arseniuro di gallio

Il GaAs possiede alcune proprietà elettroniche migliori rispetto al Si, che ne consentono l'utilizzo al di sopra dei 250 GHz. Se i componenti equivalenti in GaAs e Si vengono fatti funzionare entrambi ad alte frequenze, il GaAs produce meno rumore. Inoltre, poiché il GaAs ha una tensione di collasso più elevata, è più adatto al funzionamento ad alta potenza rispetto allo stesso componente in Si. Grazie a queste caratteristiche, i circuiti in GaAs possono essere utilizzati nei telefoni cellulari, nelle comunicazioni satellitari, nei collegamenti punto-punto a microonde, nei sistemi radar, ecc. Il GaAs è stato utilizzato per realizzare diodi Gann, diodi a microonde e diodi Geng per emettere microonde.

Tabella 2 Proprietà fisiche dell'arseniuro di gallio

3.3 Preparazione dell'arseniuro di gallio

1. Solidificazione a gradiente verticale (VGF): è il processo principale per la produzione di wafer di GaAs, con la crescita di cristalli singoli in un forno di solidificazione a gradiente verticale; questo metodo produce cristalli di qualità superiore.

2. Metodo LEC (Liquid Encapsulation Pulling): Il metodo LEC è il processo principale per la crescita di cristalli singoli di GaAs semi-isolati non drogati; oltre l'80% dei cristalli singoli di GaAs semi-isolati presenti sul mercato utilizza questo metodo. Il metodo LEC utilizza riscaldatori in grafite e crogioli PBN, B2O3 come agente sigillante liquido e la crescita dei cristalli avviene in un ambiente di argon a 2MPa. Questo metodo produce cristalli con elevata affidabilità e buone proprietà semi-isolanti, ma il dosaggio chimico è più difficile da controllare e la densità di dislocazioni è più elevata.

3. Metodo Bridgman orizzontale (HB): Questo metodo era un tempo il processo principale per la produzione di massa di cristalli singoli di GaAs semiconduttore, utilizzando barche di quarzo e tubi di quarzo cresciuti a pressione atmosferica. Il vantaggio del metodo HB è che il gradiente di temperatura è piccolo e la densità di dislocazioni è bassa, ma è difficile far crescere cristalli singoli di GaAs non drogati e semi-isolanti e l'interfaccia del cristallo ha una forma a D, con conseguente spreco di materiali.

4. Deposizione chimica da vapore (CVD): I film sottili di GaAs sono generati facendo reagire precursori gassosi ad alte temperature; si tratta di uno dei metodi più comunemente utilizzati per far crescere cristalli singoli di GaAs di alta qualità.

3.4 Applicazioni dell'arseniuro di gallio

1. Campo delle microonde: L'arseniuro di gallio è ampiamente utilizzato nel campo delle microonde, soprattutto nella produzione di dispositivi ad alta frequenza, come i transistor ad effetto di campo ad alto potenziale (HEMT), i transistor ad effetto di campo a basso potenziale (LEMT), i transistor bipolari, i circuiti integrati complementari a semiconduttore di ossido di metallo (CMOS) a radiofrequenza e così via. Questi dispositivi svolgono un ruolo importante nelle comunicazioni wireless e nei sistemi radar.

2. Campo dell'optoelettronica: l'arseniuro di gallio è un eccellente materiale di conversione fotoelettrica, utilizzato nella produzione di laser a semiconduttore ad alta velocità, celle solari ad alta efficienza energetica, fotorivelatori e interruttori fotoelettrici. Grazie alle sue caratteristiche di bandgap diretto, l'arseniuro di gallio nel campo dell'optoelettronica è particolarmente importante, può passare direttamente allo stato eccitato, adatto alla produzione di LED (diodo a emissione luminosa) e laser, come il VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), ampiamente utilizzato nelle comunicazioni a fibra ottica a breve distanza dei centri dati e nel riconoscimento facciale TOF e in altre tecnologie.

3. Campo delle comunicazioni: Nel campo delle comunicazioni, il GaAs è ampiamente utilizzato nelle comunicazioni in fibra ottica nel ricevitore ottico, nel modulatore ottico dell'amplificatore ottico e in altri dispositivi. Le sue caratteristiche di alta frequenza, elevata mobilità degli elettroni e basso rumore lo rendono una scelta ideale per le comunicazioni in fibra ottica.

4. Campo delle celle solari: Le celle solari in GaAs hanno un'elevata efficienza di conversione fotoelettrica e stabilità e sono considerate la prossima generazione di materiali per celle solari efficienti. L'elevata efficienza di conversione fotoelettrica e la stabilità termica lo rendono ampiamente studiato e applicato nel campo delle celle solari.

5. Microelettronica: Nel campo della microelettronica, il GaAs è utilizzato nei circuiti ad alta velocità, nelle memorie flash, nei transistor di potenza, negli array ottici planari e in altri dispositivi. Le sue caratteristiche di elevata mobilità degli elettroni e di ampio bandgap lo rendono adatto ai dispositivi elettronici ad alta velocità.

4 Nitruro di gallio (GaN)

La ricerca e l'applicazione del materiale GaN è l'attuale fronte di ricerca globale sui semiconduttori e il punto caldo, è lo sviluppo di dispositivi microelettronici, dispositivi optoelettronici, nuovi materiali semiconduttori e con SiC, diamante e altri materiali semiconduttori, noti come la prima generazione di materiali semiconduttori Ge, Si, la seconda generazione di materiali semiconduttori composti GaAs, InP dopo la terza generazione di materiali semiconduttori. Ha le proprietà di un ampio bandgap diretto, forti legami atomici, alta conducibilità termica, buona stabilità chimica (difficilmente viene corroso da qualsiasi acido) e forte resistenza all'irradiazione, e ha un'ampia prospettiva nell'optoelettronica, nei dispositivi ad alta temperatura e ad alta potenza e nelle applicazioni dei dispositivi a microonde ad alta frequenza.

Fig. 4 Polvere di nitruro di gallio

4.1 Struttura cristallina del nitruro di gallio

Ilnitruro di gallio (GaN) è un materiale semiconduttore con una struttura cristallina costituita da un reticolo di atomi di gallio e azoto. I cristalli di nitruro di gallio hanno una struttura cristallina cubica e le loro celle contengono una disposizione di atomi con una struttura esagonale a pacchetti ravvicinati.

La struttura reticolare dei cristalli di nitruro di gallio può essere descritta come ogni atomo di gallio è circondato da quattro atomi di azoto e quattro atomi di gallio circondano anche ogni atomo di azoto. Questa struttura è nota come struttura sfalerite o struttura alchena elicoidale, che consiste in una disposizione alternata di legami covalenti e ionici formati da atomi di gallio e azoto.

Nella struttura del nitruro di gallio, gli atomi di azoto formano legami covalenti con gli atomi di gallio circostanti e questi legami covalenti conferiscono al cristallo una struttura stabile. Allo stesso tempo, gli atomi di azoto accettano elettroni dagli atomi di gallio, formando ioni positivi e negativi nel cristallo di nitruro di gallio. Questa combinazione di legami covalenti e ionici conferisce al nitruro di gallio una buona mobilità degli elettroni e proprietà ottiche.

Inoltre, il reticolo dei cristalli di nitruro di gallio contiene spesso atomi di impurità, come silicio, carbonio, ecc. Il drogaggio di questi atomi di impurità può modulare le proprietà elettriche e ottiche del nitruro di gallio, rendendolo adatto a diverse applicazioni.

Fig. 5 Struttura cristallina del nitruro di gallio

4.2 Proprietà del nitruro di gallio

Il GaN è un composto estremamente stabile e un materiale duro e ad alto punto di fusione, con un punto di fusione di circa 1700°C. Il GaN ha un elevato grado di ionizzazione, il più alto tra i composti III-V (0,5 o 0,43). A pressione atmosferica, i cristalli di GaN hanno generalmente una struttura esagonale di zincite fibrillata. Ha quattro atomi in una protocella con un volume atomico pari a circa la metà di quello del GaAs. Grazie alla sua durezza, è un altro buon materiale per la protezione dei rivestimenti.

Gap energetico e struttura elettronica: L'ampio gap energetico del nitruro di gallio (circa 3,4 eV) gli conferisce un'elevata trasparenza nella regione del visibile, fondamentale per i dispositivi optoelettronici come LED e laser. Le sue proprietà di bandgap diretto fanno sì che la conservazione dell'energia e della quantità di moto sia valida quando gli elettroni saltano, il che contribuisce a migliorare l'efficienza dei dispositivi optoelettronici. La struttura elettronica del GaN determina anche la mobilità degli elettroni e le proprietà di trasporto dei portatori, che sono fondamentali per le caratteristiche di velocità e potenza del dispositivo.

Proprietà meccaniche: Il nitruro di gallio ha una durezza elevata, vicina a quella dello zaffiro (circa 9 sulla scala di durezza Mohs), che lo rende resistente a un certo grado di stress meccanico e ai graffi. L'elevato modulo di elasticità rende il nitruro di gallio più resiliente e stabile nelle applicazioni, in grado di sopportare un certo grado di pressione e sollecitazione esterna.

Proprietà termiche: Il nitruro di gallio ha un'eccellente conduttività termica, elevata rispetto ad altri materiali semiconduttori. Questa elevata conducibilità termica consente ai dispositivi in nitruro di gallio di dissipare efficacemente il calore durante il funzionamento, riducendo i gradienti di temperatura e migliorando le prestazioni e l'affidabilità del dispositivo. Inoltre, il coefficiente di espansione termica relativamente basso del nitruro di gallio lo rende meno suscettibile a cambiamenti dimensionali e deformazioni durante le variazioni di temperatura, contribuendo a mantenere la stabilità strutturale del dispositivo.

Proprietà ottiche: Il nitruro di gallio ha un'elevata trasparenza e un basso coefficiente di assorbimento nella regione del visibile, che gli consente di ottenere un'efficiente conversione di energia in dispositivi optoelettronici come LED e laser. L'elevato indice di rifrazione consente al nitruro di gallio di ottenere un accoppiamento ottico efficiente, aumentando così l'efficienza luminosa e la potenza di uscita dei dispositivi optoelettronici.

Stabilità chimica: Il nitruro di gallio ha una buona stabilità chimica ed è resistente a molte reazioni chimiche comuni di corrosione e ossidazione, come acidi, alcali e solventi. Ciò consente al nitruro di gallio di mantenere prestazioni stabili in una varietà di condizioni ambientali difficili, come temperature elevate, umidità elevata e ambienti con gas corrosivi.

Prestazioni elettroniche: Il nitruro di gallio ha un'eccellente mobilità degli elettroni, tipicamente nell'intervallo tra diverse centinaia e diverse migliaia di cm2/(V-s), che gli conferisce prestazioni eccellenti nell'elettronica ad alta frequenza e ad alta potenza. L'elevata mobilità degli elettroni e l'alta velocità di deriva di saturazione consentono ai dispositivi al nitruro di gallio di avere una bassa resistenza di accensione e alte velocità di commutazione per scenari applicativi ad alta velocità e ad alta frequenza.

4.3 Preparazione del nitruro di gallio

La crescita del materiale GaN avviene tramite la reazione chimica tra Ga decomposto da TMGa e NH3 ad alta temperatura, con l'equazione di reazione reversibile:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

La crescita del GaN richiede una certa temperatura di crescita e una certa pressione parziale di NH3. I metodi solitamente utilizzati sono il MOCVD convenzionale (compresi APMOCVD e LPMOCVD), il MOCVD potenziato al plasma (PE-MOCVD) e il MBE assistito da risonanza di ciclotrone elettronico. La temperatura e la pressione parziale di NH3 necessarie vengono ridotte in sequenza. Uno studio ha indicato che l'apparecchiatura utilizzata era AP-MOCVD con un reattore orizzontale e speciali modifiche di progettazione, utilizzando TMGa e NH3 di elevata purezza di produzione nazionale come materiali di programma sorgente, DeZn come fonte di drogaggio di tipo P, zaffiro (0001) con silicio (111) come substrato utilizzando un riscaldamento a induttanza ad alta frequenza, silicio a bassa resistenza come generatore di calore e H2 di elevata purezza come gas di trasporto per la fonte MO. Per il condizionamento della zona di crescita è stato utilizzato N2 di elevata purezza. Per la caratterizzazione qualitativa del GaN sono state utilizzate misure HALL, diffrazione di bicristalli e spettroscopia PL a temperatura ambiente.

4.4 Applicazioni del nitruro di gallio

1. Nuovi dispositivi elettronici

La serie di materiali GaN con basso tasso di generazione di calore ed elevato campo elettrico di ripartizione è un materiale importante per lo sviluppo di dispositivi elettronici ad alta temperatura e ad alta potenza e di dispositivi a microonde ad alta frequenza. Attualmente, grazie ai progressi della tecnologia MBE nell'applicazione dei materiali GaN e alla scoperta della tecnologia chiave di crescita del film sottile, sono state coltivate con successo diverse eterostrutture GaN. Dai materiali GaN sono stati preparati nuovi tipi di dispositivi, come i transistor a effetto di campo metallico (MESFET), i transistor a effetto di campo a etero-giunzione (HFET), i transistor a effetto di campo drogati con modulazione (MODFET), ecc. La struttura AlGaN/GaN drogata a modulazione ha un'elevata mobilità degli elettroni (2000cm2/v-s), un'alta velocità di saturazione (1 × 107cm/s) e una bassa costante dielettrica; è la produzione di dispositivi a microonde di materiali prioritari; la più ampia larghezza di banda proibita del GaN (3,4eV) e lo zaffiro e altri materiali per il substrato, le prestazioni di dissipazione del calore sono buone, favorendo il funzionamento del dispositivo in condizioni di alta potenza.

2. Dispositivi optoelettronici

La serie di materiali GaN è un materiale ideale per i dispositivi di emissione di luce a breve lunghezza d'onda e il bandgap del GaN e delle sue leghe copre la gamma spettrale dal rosso all'ultravioletto. Dallo sviluppo dei LED blu GaN a omo-giunzione in Giappone nel 1991, sono stati introdotti LED blu ultra-luminosi a doppia etero-giunzione InGaN/AlGaN e LED GaN a singolo pozzo quantico InGaN. Attualmente, i LED blu e verdi GaN a singolo pozzo quantico Zcd e 6cd sono entrati nella fase di produzione di massa, colmando così il vuoto dei LED blu presenti sul mercato da molti anni. I dispositivi di emissione di luce blu hanno un enorme mercato di applicazione nei settori dell'accesso alle informazioni dei dischi ottici ad alta densità, dei display completamente ottici e delle stampanti laser. Con il continuo approfondimento della ricerca e dello sviluppo dei materiali e dei dispositivi al nitruro di Ⅲ, è stata commercializzata la tecnologia GaInN per LED blu e verdi ad altissimo rendimento e ora le principali aziende e istituti di ricerca del mondo hanno investito molto per unirsi alla competizione per lo sviluppo dei LED blu.

3. Sensori

Il nitruro di gallio può essere utilizzato per realizzare sensori di pressione altamente precisi e sensibili. Le proprietà elettriche del nitruro di gallio cambiano quando viene applicata una pressione esterna e la pressione può essere misurata attraverso parametri quali la resistenza, la capacità o l'effetto di campo. Le proprietà termiche dei materiali in nitruro di gallio li rendono adatti alla produzione di sensori ad alta temperatura. Il nitruro di gallio ha un'eccellente stabilità e conducibilità termica in ambienti ad alta temperatura e può essere utilizzato per produrre sensori ad alta temperatura, come i sensori di temperatura dei motori automobilistici e i sensori di monitoraggio dei processi ad alta temperatura. Può anche essere utilizzato per produrre sensori di gas. La superficie del nitruro di gallio ha una buona inerzia chimica e può avere reazioni chimiche specifiche con molti gas, quindi può essere utilizzata per rilevare la concentrazione di gas specifici, come ossidi di azoto, ammoniaca e così via, utilizzando le sue proprietà chimiche superficiali. Grazie alle eccellenti proprietà ottiche del nitruro di gallio, la sua applicazione nei sensori ottici può realizzare misurazioni di alta precisione di parametri quali l'intensità, la lunghezza d'onda e la direzione della luce. Attraverso la modifica specifica delle biomolecole con la superficie dei materiali al nitruro di gallio, è possibile realizzare un rilevamento ad alta sensibilità e selettività di biomolecole, come DNA, proteine, cellule, ecc.

Fig. 6 Applicazioni del nitruro di gallio

5 Conclusione

I composti a base di gallio, tra cui Ga2O3, GaAs e GaN, rappresentano una pietra miliare della moderna tecnologia dei semiconduttori grazie alle loro notevoli proprietà elettriche, ottiche e termiche. Ogni materiale possiede punti di forza unici: il Ga2O3 eccelle nelle applicazioni ad alta potenza e ad alta tensione grazie al suo bandgap ultra ampio e all'elevato campo elettrico di breakdown, mentre il GaAs rimane un materiale leader per i dispositivi optoelettronici e ad alta velocità grazie alla sua elevata mobilità degli elettroni e al bandgap diretto. Allo stesso tempo, il GaN ha trasformato l'elettronica di potenza e i sistemi di comunicazione ad alta frequenza grazie alla sua robustezza, efficienza e all'ampio intervallo operativo.

Lo sviluppo di tecniche di sintesi avanzate, come la deposizione chimica da vapore, l'epitassia a fascio molecolare e altri metodi di fabbricazione personalizzati, ha consentito un controllo preciso sulla qualità del materiale, aprendo la strada ad applicazioni innovative in tutti i settori. Dalla conversione di potenza e dal rilevamento degli ultravioletti alle comunicazioni 5G e ai sistemi di energia rinnovabile, i composti di gallio stanno guidando il progresso tecnologico e rispondono alla crescente domanda di dispositivi ad alta efficienza energetica e ad alte prestazioni.

Con il proseguimento della ricerca e dello sviluppo, si prevede che questi materiali supereranno le sfide esistenti, come la gestione termica e la scalabilità, grazie all'ingegneria dei materiali e all'integrazione con le tecnologie emergenti. I composti a base di gallio rimarranno all'avanguardia dell'innovazione, alla base dei futuri progressi nell'elettronica, nell'optoelettronica e oltre.

Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore chiave di materiali di germanio di alta qualità, che supporta queste applicazioni critiche con soluzioni materiali affidabili.

Ulteriori letture:

Materiali elettronici essenziali: Parte 1 - Silicio

Materiali elettronici essenziali: Parte 2 - Carburo di silicio

Materiali elettronici essenziali: Parte 3 - Germanio