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 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.

Valmistus 

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.

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 vedyntuotannossa, jossa lähtöaineena toimii elektrolyysillä hajotettava vesi.

Ongelmat 

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.

Lähteet 

American Elements, viitattu 27.12.2014.
PubChem, viitattu 27.12.2014.
ChemIndustry, viitattu 27.12.2014.
Gallium Nitride, Ioffe Institute, viitattu 27.12.2014.
Galliumnitridin käyttöturvallisuustiedote, Sigma Aldrich, viitattu 27.12.2014.
Akasaki, I. & Amano, H. (1997). Crystal Growth and Conductivity Control of Group III Nitride Semiconductors and Their Application to Short Wavelength Light-Emitters, Jpn. J. Appl. Phys., 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, Jpn. J. Appl. Phys., 29(Part 2, No. 2), s.L205-L206.
Amano, H. et al. (1989). P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI), Jpn. J. Appl. Phys., 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. et al. (2002). Band Gaps and Lattice Parameters of 0.9 μm Thick InxGa1-xN Films for 0≤x≤0.140, J. Appl. Phys., 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, J. Appl. Phys., 106(3), s.0333701/1-033701/7.
Callahan, M. et al. (2006). GaN Single Crystals Grown on HVPE Seeds in Alkaline Supercrical Ammonia, J. Mater. Sci., 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, Phys. Stat. Sol. (a), 183(1), s.81-85.
Dias Da Silva, J. H. et al. (2007). Structural and Vibrational Analysis of Nanocrystalline Ga1-xMnxN Films Deposited by Reactive Magnetron Sputtering, J. Appl. Phys., 102(6), s.063526/1-063526/6.
Dora, Y. et al. (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. et al. (2003). Single-Crystal Gallium Nitride Nanotubes, Nature, 422(6932), s.599-602.
Haavisto, Anja et al.(2003). MAOL-taulukot. Keuruu: MAOL ry., Otava. s.133-134.
Harafuji, K.; Tsuchiya, T. & Kawamura, K. (2004). Molecular Dynamics Simulation for Evaluating Melting Point of Wurtzite-Type GaN Crystal, J. Appl. Phys., 96(5), s.2501-2512.
Morkoc, H. et al. (1994). Large-Band-Gap SiC, III-V Nitride and II-VI ZnSe-Based Semiconductor Device Technologies, J. Appl. Phys., 76(3), s.1363-1398.
Moss, D. et al. (2009). Elasto-Optical Properties of Zinc-Blende (Cubic) GaN Measured by Picosecond Acoustics, J. Phys. D: Appl. Phys., 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, Opt. Quant. Electron., 41(11-13), s.779-785.
Shenai-Khatkhate, D. V. et al. (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, Opt. Quant. Electron., 41(7), s. 525-530.
Terao, S. et al. (2001). Fracture of AlxGa1-xN/GaN Heterostructure - Compositional and Impurity Dependence, Jpn. J. Appl. Phys., 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.

Galliumyhdisteet
Nitridit
Puolijohteet