Nitruro di gallio

Nitruro di gallio
Cristallo di nitruro di gallio.
Cristallo di nitruro di gallio.
Nome IUPAC
nitruro di gallio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareGaN
Massa molecolare (u)83.7297
Aspettosolido cristallino incolore
Numero CAS25617-97-4
Numero EINECS247-129-0
PubChem117559
SMILES
N#[Ga]
Indicazioni di sicurezza

Il nitruro di gallio (GaN) è il composto binario covalente formato dal gallio con l'azoto.[1] Fu ottenuto per la prima volta nel 1932 dalla reazione del gallio metallico con l'ammoniaca a 1000 °C.[2][3] È un composto non molecolare avente formula minima GaN, nel cui reticolo sia il gallio che l'azoto sono entrambi tetracoordinati e tetraedrici.[4]

Il nitruro di gallio è un tipico semiconduttore del tipo III-V.[5] È un materiale molto duro (~8,5 su scala Mohs[6]) avente una struttura analoga alla wurtzite.[1] L'ampiezza del suo band gap lo rende utile in speciali applicazioni di optoelettronica,[7][8] compresi i dispositivi di potenza o di alta frequenza e viene impiegato per ottenere diodi LED blu; inoltre, rende possibili i laser nel violetto (405 nm) senza dover ricorrere al raddoppiamento di frequenza che sfrutti ottiche non lineari.[9]

Caratteristiche

Il nitruro di gallio, che si può ottenere come cristalli incolori, è un composto termodinamicamente alquanto stabile, ΔHƒ° = -111 kJ/mol,[1] sebbene molto meno rispetto all'analogo nitruro di alluminio AlN (-318,0 kJ/mol).[10]

Il nitruro di gallio GaN è formato dall'unione 1:1 del gallio, avente 3 elettroni esterni (4s2 4p1), con l'azoto, avente 5 elettroni esterni (2s2 2p3), a dare un cristallo in cui vi sono 8 elettroni di valenza per ogni atomo Ga o N, come accade anche per i reticoli cristallini isoelettronici di valenza del nitruro di boro (BN), del nitruro di alluminio (AlN), come pure del silicio (Si) o del diamante (C).[11][12]

GaN è un semiconduttore che cristallizza nel sistema esagonale in una struttura del tipo della wurtzite (w-GaN), che è la sua forma più stabile.[1] In particolari condizioni è possibile però far crescere epitassialmente GaN su un substrato con reticolo cristallino cubico basato su quello della zincoblenda (sfalerite), dando luogo alla forma cubica c-GaN.

GaN può essere drogato di tipo p con atomi di magnesio (per Ga)[13][14] e di tipo n con atomi di silicio (per Ga) o con atomi di ossigeno (per N).[15] Tuttavia il drogaggio con il magnesio o con il silicio introduce nella struttura cristallina tensioni che rendono il materiale fragile.[16]

Come i semiconduttori analoghi BN e AlN del tipo III-V,[5] il GaN ha un band-gap diretto, che lo rende utilizzabile per la realizzazione di laser e LED nel blu.[17] In questo materiale l'energia di legame degli eccitoni misurata sperimentalmente varia tra i 18 ed i 28 meV. Il fondo della banda di conduzione è ben approssimato da una relazione di dispersione di tipo parabolico, il fondo delle valli adiacenti si trova invece ad energie maggiori di almeno 2 eV. Il GaN nella forma della wurtzite ha un energy gap diretto pari a 3,47 eV alla temperatura di 0 K,[7] che corrisponde otticamente al violetto prossimo al confine con l'ultravioletto; per confronto, il band-gap del nitruro di alluminio (6,015 eV) è poco meno del doppio e corrisponde otticamente al confine tra medio e lontano ultravioletto (UV-C).[18]

Per descrivere la struttura a bande del GaN sotto deformazione (strain), sono necessari sei potenziali di deformazione, più il tensore di strain ed il potenziale di deformazione idrostatica totale. G. B. Ren, Y. M. Liu e P. Blood[19] hanno proposto un insieme di parametri che modellano correttamente il calcolo della struttura a bande; per quanto riguarda invece il calcolo delle costanti elastiche, la teoria si allinea ai risultati di A. Polian, M. Grimsditch e I. Grzegory;[20] i coefficienti piezoelettrici utilizzati di norma sono invece calcolati da una media tra i lavori sperimentali di Bykhovki, Lueng e Shimada e quelli teorici di Bernardini e Fiorentini.

Utilizzi

I transistor GaN possono lavorare a temperature e tensioni molto più elevate rispetto ai transistor basati sull'arseniuro di gallio (GaAs), cosa che li rende ideali per realizzare amplificatori di potenza nelle frequenze del microonde.

Si sta sperimentando anche l'uso di GaN nelle apparecchiature per produrre radiazioni elettromagnetiche nella banda dei THz.[21]

Grazie all'elevata densità di potenza e alta tensione di rottura del dielettrico, GaN sta emergendo come candidato per l'elettronica delle celle 5G.

A partire dal 2020, i transistor di potenza GaN stanno prendendo piede come componenti di scelta negli alimentatori per l'elettronica, per la conversione della corrente alternata di distribuzione in corrente continua a bassa tensione.

Note

  1. 1 2 3 4 Egon Wiberg, Nils Wiberg e A. F. Holleman, Anorganische Chemie, 103ª ed., De Gruyter, 2017, pp. 1403-1404, ISBN 978-3-11-026932-1, OCLC 970042787. URL consultato il 12 giugno 2024.
  2. ↑ (EN) Majeed Ahmad, A brief history of gallium nitride (GaN) semiconductors, su EDN, 23 maggio 2023. URL consultato il 12 giugno 2024.
  3. ↑ Weng Hoe Lam, Weng Siew Lam e Pei Fun Lee, The Studies on Gallium Nitride-Based Materials: A Bibliometric Analysis, in Materials, vol. 16, n. 1, 1º gennaio 2023, p. 401, DOI:10.3390/ma16010401. URL consultato il 12 giugno 2024.
  4. ↑ J Nord, K Albe e P Erhart, Modelling of compound semiconductors: analytical bond-order potential for gallium, nitrogen and gallium nitride, in Journal of Physics: Condensed Matter, vol. 15, n. 32, 20 agosto 2003, pp. 5649–5662, DOI:10.1088/0953-8984/15/32/324. URL consultato il 17 luglio 2026.
  5. 1 2 (EN) Fundamentals of Semiconductors, DOI:10.1007/978-3-642-00710-1. URL consultato l'11 giugno 2024.
  6. ↑ (EN) Mohs Hardness Scale for Semiconductor Substrates, su www.universitywafer.com. URL consultato il 17 luglio 2026.
  7. 1 2 (EN) A. Di Carlo, Tuning Optical Properties of GaN-Based Nanostructures by Charge Screening, in physica status solidi (a), vol. 183, n. 1, 2001-01, pp. 81-85, DOI:10.1002/1521-396X(200101)183:1<81::AID-PSSA81>3.0.CO;2-N. URL consultato il 12 giugno 2024.
  8. ↑ (EN) Y. Arakawa, Progress in GaN-based quantum dots for optoelectronics applications, in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 8, n. 4, 2002-07, pp. 823-832, DOI:10.1109/JSTQE.2002.801675. URL consultato il 12 giugno 2024.
  9. ↑ Meng-Mu Shih, Modeling gallium-nitride-based violet lasers for data storage of information technology, in Gallium Nitride Materials and Devices VII, vol. 8262, SPIE, 27 febbraio 2012, pp. 194-199, DOI:10.1117/12.911793. URL consultato il 12 giugno 2024.
  10. ↑ William M. Haynes, CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data, 92ª ed., CRC Press, 2011, 5-4, ISBN 978-1-4398-5511-9, OCLC 730008390.
  11. ↑ N. N. Greenwood e A. Earnshaw, Chemistry of the Elements, 2ª ed., Butterworth-Heinemann, 1997, pp. 255-256, ISBN 0-7506-3365-4.
  12. ↑ Erwin Riedel e Christoph Janiak, Anorganische Chemie, collana De Gruyter Studium, 10ª ed., De Gruyter, 2022, pp. 189-192, ISBN 978-3-11-069604-2.
  13. ↑ Hiroshi Amano, Masahiro Kito e Kazumasa Hiramatsu, P-Type Conduction in Mg-Doped GaN Treated with Low-Energy Electron Beam Irradiation (LEEBI), in Japanese Journal of Applied Physics, vol. 28, 12A, 1º dicembre 1989, pp. L2112, DOI:10.1143/JJAP.28.L2112. URL consultato il 17 luglio 2026.
  14. ↑ (EN) Discovery in gallium nitride a key enabler of energy efficient electronics | Cornell Chronicle, su news.cornell.edu. URL consultato il 17 luglio 2026.
  15. ↑ (EN) C. Wetzel, T. Suski e I. I. I. Ager, Strongly localized donor level in oxygen doped gallium nitride, LBNL--39218; CONF-960781--8, Lawrence Berkeley National Lab., CA (United States), 1º agosto 1996. URL consultato il 17 luglio 2026.
  16. ↑ Shinji Terao, Motoaki Iwaya e Ryo Nakamura, Fracture of Al x Ga 1-x N/GaN Heterostructure –Compositional and Impurity Dependence–, in Japanese Journal of Applied Physics, vol. 40, 3A, 1º marzo 2001, pp. L195, DOI:10.1143/JJAP.40.L195. URL consultato il 17 luglio 2026.
  17. ↑ pubs.acs.org, https://pubs.acs.org/action/cookieAbsent. URL consultato il 17 luglio 2026.
  18. ↑ Martin Feneberg, Robert A. R. Leute e Benjamin Neuschl, High-excitation and high-resolution photoluminescence spectra of bulk AlN, in Physical Review B, vol. 82, n. 7, 16 agosto 2010, pp. 075208, DOI:10.1103/PhysRevB.82.075208. URL consultato il 17 luglio 2026.
  19. ↑ [Appl. Phys. Lett 74, 1117 (1999)]
  20. ↑ [J. Appl. Phys. 79, 3343 (1996)]
  21. ↑ Kiarash Ahi, Review of GaN-based devices for terahertz operation, in Optical Engineering, vol. 56, n. 9, settembre 2017, p. 090901, Bibcode:2017OptEn..56i0901A, DOI:10.1117/1.OE.56.9.090901. Ospitato su SPIE.

Voci correlate

Altri progetti

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