Galliumnitridi
Galliumnitridi (GaN, "gallium nitride") on galliummetallin ja epämetalleihin kuuluvan typen muodostama epäorgaaninen yhdiste, jossa gallium jakaa elektropositiivisena (Linus Paulingin elektronegatiivisuusarvoilla 1,6) elektroninsa elektronegatiivisemmalle typelle (elektronegatiivisuusarvo 3,0).
Elektronegatiivisuusarvojen keskisuuren eroavuuden (0,4–2,0) vuoksi galliumin ja typen välille muodostuu poolinen kovalenttinen kolmoissidos. Alkuaineparista johtuen yhdisteellä esiintyy puolijohteen ominaisuuksia. Galliumnitridin kiderakenne perustuu heksagonaaliseen wurtsiittiin, mutta yhdiste voi kiteytyä myös sinkkivälkkeen kuutiorakenteen mukaisesti.
Galliumnitridi on haitallista ihmiselle ja ympäristölle, koska vedessä ja kosteissa olosuhteissa siitä muodostuu ammoniakkia ja galliumin oksideja. Lisäksi sen valmistuksessa käytettävät organometallit ovat haitallisia kemikaaleja, jotka muodostavat helposti joko hapen oksideja tai radikaaliyhdisteitä.
Galliumnitridiä voidaan valmistaa lisäämällä galliumsulatteeseen typpikaasua tai ylikriittistä ammoniakkia. Toisena keinona on GaN-kiteiden kasvattaminen nanoteknologisesti substraatin, esimerkiksi safiirin, päälle käyttämällä organometalleja ja ammoniakkia. Tällöin substraatin pinnalle muodostuu olosuhteista riippuen joko ohut levypinnoite tai GaN-kvanttipisteitä (Quantum Dots), jotka toimivat hyvinä sähkönjohtimina. Päällystettä voidaan käsitellä laserilla tai puskuroida valmistusvaiheessa halkeamia ehkäisevällä alumiininitridillä (AlN) sekä puhdistaa vetykaasulla.
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 vedyntuotannossa, jossa lähtöaineena toimii elektrolyysillä hajotettava vesi.
Galliumnitridin käyttöä rajoittavat sen konduktiiviset ja termiset ominaisuudet. Yksittäisen GaN-kiteen kasvatukseen vaikuttavat typen tasapainohöyrynpaine GaN:n 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 Si, Ge ja Se. P-tyypin lisäaineita ovat puolestaan Zn, Mg tai Ca.
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- lämmönjohtavuuskertoimista sekä lämpölaajenemiskertoimista johtuen hilarakenteisiin voi muodostua jännityskohtia, jotka voivat heikentää pinnoitteen toimintaa tai haurastuttaa sitä.
Yhdisteiden koosta johtuen päällysteiden kriittistä kerrospaksuutta tutkitaan röntgensädediffraktiolla, 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.