氮化鎵

氮化鎵（GaN、Gallium nitride）是氮和鎵的化合物，是一種III族和V族的直接能隙（direct bandgap）的半導體，自1990年起常用在發光二極體中。此化合物結構類似纖鋅礦，硬度很高。氮化鎵的能隙很寬，為3.4電子伏特，可以用在高功率、高速的光電元件中，例如氮化鎵可以用在紫光的雷射二極體，可以在不使用非線性半导体泵浦固体激光（Diode-pumped solid-state laser）的條件下，產生紫光（405 nm）雷射。

氮化鎵
IUPAC名 Gallium nitride
识别
CAS号	25617-97-4  Y
PubChem	117559
ChemSpider	105057
SMILES	[Ga]#N
InChI	1/Ga.N/rGaN/c1-2
InChIKey	JMASRVWKEDWRBT-MDMVGGKAAI
RTECS	LW9640000
性质
化学式	GaN
摩尔质量	83.73 g/mol g·mol⁻¹
外观	黃色粉末
密度	6.15 g/cm3
熔点	>2500°C[1]
溶解性（水）	會和水反應
能隙	3.4 eV（300 K, direct） eV
电子迁移率	440 cm2/（V·s，300 K）
熱導率	2.3 W/（cm·K，300 K）[2]
折光度n D	2.429
结构
晶体结构	纖鋅礦
空间群	C6v4-P63mc
晶格常数	a = 3.186 Å, c = 5.186 Å [3]
配位几何	正四面體
危险性
欧盟编号	未列出
闪点	不可燃
相关物质
其他阴离子	磷化鎵 砷化鎵 銻化鎵
其他阳离子	氮化硼 氮化鋁 氮化銦
相关化学品	砷化鋁鎵 砷化銦鎵 磷鉮化鎵 氮化鋁鎵 氮化銦鎵
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

如同其他III族元素的氮化物，氮化镓对电离辐射的敏感性较低，这使得它适合用于人造卫星的太阳能电池阵列。军事的和空间的应用也可能受益，因为氮化镓设备在辐射环境中显示出稳定性^[4]。相比砷化镓（GaAs）晶体管，氮化镓晶体管可以在高得多的温度和电压工作运行，因此它们是理想的微波频率的功率放大器。

应用

发光二极管与激光

实用性高亮度藍光LED得益于氮化鎵晶体的高效制备技术。基于氮化镓的紫色激光二极管被用于读取蓝光光盘。氮化镓与铟（InGaN）或铝（AlGaN）的混合，其带隙取决于铟或铝与氮化镓的比例，可以制造出颜色从红色到紫外线的发光二极管（LED）^[5]。

晶体管和电源集成电路

氮化镓晶体管适用于高频率、高电压、高温和高效率的产品。氮化镓HEMT的商业化产品自2006年开始在市场上出现，由于其高效率和高电压操作，在各种无线基础设施应用中立即得到了应用。第二代具有较短栅极长度的器件将用于需要更高频率的电信和航空业产品。^[6]

基于氮化镓的MOSFET和MESFET晶体管也具有高功率低损耗的优势，特别适合在汽车和电动汽车中应用^[7]。自2008年起，这两种晶体管已可以在硅基板上制成^[7]。高电压（800V）肖特基二极管（SBD）也已经研制成功^[7]。

集成的氮化镓电源集成电路具有更高的效率和高功率密度，可以减少包括移动和笔记本电脑充电器、消费电子、计算设备和电动汽车等产品的尺寸、重量和元件数。基于氮化镓的电子产品（不是纯氮化镓）有可能大幅削减能源消耗，不仅是在消费电子产品中，甚至也可以用于电力传输设施中。

与硅晶体管因电源浪涌而关闭不同，氮化镓晶体管是典型的耗尽模式器件（即当栅极-源极电压为零时开启/阻止）。目前已经有几种方法可用来达到正常关闭（或E模式）的操作，这对于在电力电子中使用很有必要：^[8][9]

• 在栅极下植入氟离子（氟离子的负电荷有利于耗尽通道）
• 使用带有AlGaN凹槽的MIS型栅极堆叠
• 将一个常开GaN晶体管和一个低电压硅MOSFET整合构成的级联对
• 在AlGaN/GaN异质结采用p型层做为顶部

雷达

它们也被用于军事电子设备，如有源电子扫描阵列雷达。^[10]

相關條目

• 化合物半导体
• 肖特基二极管
• 半导体器件
• 分子束外延
• 外延 (晶体)
• 硝酸鎵

參考資料

1. T. Harafuji and J. Kawamura. Molecular dynamics simulation for evaluating melting point of wurtzite-type GaN crystal. Appl. Phys. 2004, 96 (5): 2501. doi:10.1063/1.1772878.
2. Mion, Christian. "Investigation of the Thermal Properties of Gallium Nitride Using the Three Omega Technique." Diss. North Carolina State University. Raleigh, 2005. Web, Aug 12, 2011. http://repository.lib.ncsu.edu/ir/bitstream/1840.16/5418/1/etd.pdf （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
3. Bougrov V., Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Zubrilov A., in Properties of Advanced Semiconductor Materials GaN, AlN, InN, BN, SiC, SiGe. Eds. Levinshtein M.E., Rumyantsev S.L., Shur M.S., John Wiley & Sons, Inc., New York, 2001, 1–30
4. Lidow, Alexander; Witcher, J. Brandon; Smalley, Ken. Enhancement Mode Gallium Nitride (eGaN) FET Characteristics under Long Term Stress (PDF). GOMAC Tech Conference. March 2011 [2016-09-14]. （原始内容存档 (PDF)于2013-11-07）.
5. Morkoç, H.; Strite, S.; Gao, G. B.; Lin, M. E.; Sverdlov, B.; Burns, M. Large-band-gap SiC, III-V nitride, and II-VI ZnSe-based semiconductor device technologies. Journal of Applied Physics. 1994, 76 (3): 1363. Bibcode:1994JAP....76.1363M. doi:10.1063/1.358463.
6. 2010 IEEE Intl. Symposium, Technical Abstract Book, Session TH3D, pp. 164–165
7. Davis, Sam. SiC and GaN Vie for Slice of the Electric Vehicle Pie. Power Electronics. 2009-11-01 [2016-01-03]. （原始内容存档于2021-11-20）. These devices offer lower loss during power conversion and operational characteristics that surpass traditional silicon counterparts.
8. Making the new silicon: Gallium nitride electronics could drastically cut energy usage. [2018-06-28]. （原始内容存档于2021-11-20）.
9. Meneghini, Matteo; Hilt, Oliver; Wuerfl, Joachim; Meneghesso, Gaudenzio. Technology and Reliability of Normally-Off GaN HEMTs with p-Type Gate. Energies. 2017-01-25, 10 (2): 153. doi:10.3390/en10020153  （英语）.
10. "Gallium Nitride-Based Modules Set New 180-Day Standard For High Power Operation." （页面存档备份，存于互联网档案馆） Northrop Grumman, 13 April 2011.

外部链接

• （英文）Ioffe data archive （页面存档备份，存于互联网档案馆）