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Galliumnitrid



Strukturformel
Keine Strukturformel vorhanden
Allgemeines
Name Galliumnitrid
Andere Namen

keine

Summenformel GaN
CAS-Nummer 247-129-0
Kurzbeschreibung künstlich gezüchteter Halbleiter
Eigenschaften
Molare Masse 83,72 g/mol
Aggregatzustand fest
Dichte 6,1 g/cm3[1]
Schmelzpunkt 800 °C (Sublimation)[1]
Siedepunkt nicht anwendbar
Löslichkeit

unlöslich in Wasser[1]

Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung
[1]
R- und S-Sätze R: 43[1]
S: 24-37[1]
MAK

keine MAK[1]

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Galliumnitrid (GaN) ist ein III-V-Halbleiter mit großer elektronischer Bandlücke (wide bandgap), der in der Optoelektronik insbesondere für blaue, weiße und grüne LEDs und für Hochleistungs-, Hochtemperatur- und Hochfrequenzfeldeffekttransistoren Verwendung findet. Darüber hinaus ist es für Sensorikanwendungen geeignet. Es lässt sich vermutlich, durch Dotieren mit z. B. Mn, ein bei Raumtemperatur magnetischer Halbleiter realisieren, wie er für die Spintronik von Interesse ist.

GaN kristallisiert vorzugsweise in der (hexagonalen) Wurtzit-Struktur, die kubische Zinkblende-Modifikation ist nicht stabil.

Das Material wurde um 1930 zum ersten Mal synthetisiert und 1969 von Maruska und Tietjen erstmals mittels HVPE epitaktisch als Schicht aufgewachsen. 1971 gelang Manasevit, Erdmann und Simpson zum ersten Mal über MOCVD das Wachstum von GaN, was als wichtiger Schritt in der weiteren Entwicklung gelten kann.

Das Hauptproblem in der Herstellung von GaN-basierten Bauelementen lag und liegt an der Schwierigkeit, aus GaN große Einkristalle herzustellen, um daraus hochwertige GaN-Wafer zu fertigen. Deshalb muss noch immer auf Fremdsubstrate ausgewichen werden, wobei hauptsächlich Saphir und SiC Verwendung finden. Die Qualität der (heteroepitaktischen) Schichten auf Fremdsubstraten, wurde durch die Arbeiten der Gruppe von Akasaki und von Nakamura Ende der 1980er Jahre sehr voran getrieben. Eine weitere Herausforderung stellt die p-Dotierung des Halbleitermaterials dar, was für fast alle optoelektronischen Bauelemente notwendig ist. Sie gelang erstmals der Gruppe um Akasaki im Jahre 1988, dann 1992 auch Shuji Nakamura mit einem modifizierten Ansatz. Dies führte zur ersten kommerziellen blauen LED, sowie später zum ersten blauen Halbleiter-Laser, der seit 1993 von Nichia vertrieben wird.

Mit einem höheren Indium-Anteil in der aktiven Zone der GaInN-Quanten-Filme ist auch grüne und gelbe Lichtemission möglich. Die Effizienz derartiger LEDs sinkt aber zunehmend mit höherem In-Gehalt auf Grund mehrerer physikalisch und chemischer Tatsachen.

Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliziumcarbid, das als indirekter Halbleiter für eine effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist.

Weiteres empfehlenswertes Fachwissen

Inhaltsverzeichnis

Kristalleigenschaften

Eigenschaft Wert
Kristallsystem hexagonal (kubisch)
Farbe farblos, weiß, grau, gelb
Glanz Glasglanz
Opazität durchsichtig bis undurchsichtig
Spaltbarkeit gut
häufige Kristallflächen (0001), {1-101}
Brechzahl ca. 2,5 bei 400 nm
Kristallstruktur Wurtzit (stabil), Zinkblende, Steinsalz (Hochdruckphase)
Gitterkonstante Wurtzit: c = 0,5185 nm, a = 0,3189 nm; Zinkblende: a = 0,452 nm
Bandabstand Wurtzit: 3,39 eV; Zinkblende: 3,2 eV

Einsatz-Gebiete

Neue Berühmtheit erlangte GaN durch die WiMax-Technologie. Für die hohe Frequenz (3.5 GHz) eignen sich derzeitige Technologien nicht. Neben dem Fremdsubstrat Saphir lässt sich heutzutage GaN auch auf SiC und auf Si herstellen. Rein technisch gesehen hat GaN auf SiC die Nase vorn. Im Vergleich zu Si sind die SiC Substratkosten jedoch deutlich höher (ca. 1000 USD pro 4" Wafer). Gegenwärtig sind GaN-Transistoren bereits von asiatischen und amerikanischen Firmen kommerziell erhältlich. In Deutschland wird an verschiedenen Instituten und Firmen mit Hochdruck an der Entwicklung von AlGaN/GaN-Transistoren gearbeitet. Erste Produktmuster von kommerziellen Anbietern werden im Jahre 2009 erwartet. Das Hauptaugenmerk der Entwicklungsarbeiten ist dabei auf die Bauelementzuverlässigkeit gerichtet.

Heutige Beleuchtungstechniken werden durch den Einsatz von GaN-basierenden LED revolutioniert werden. Denn durch den Einsatz blauer LEDs in Kombination mit Phosphoren, sogenannten Lumineszenz-Konvertern, ist die Realisierung weißer LEDs möglich. Diese Phosphore wandeln einen Teil des blauen Lichts in gelbes und das menschliche Auge empfindet dies als Weiß-Effekt.

Quellen

  1. a b c d e f g Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)

Literatur

  • Tsuda, Michinobu; Iwaya, Motoaki; Kamiyama, Satoru; Amano, Hiroshi; Akasaki, Isamu. Metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) of nitride semiconductor at high growth rate, epitaxial substrates therefrom, and semiconductor devices using them. Jpn. Kokai Tokkyo Koho (2006)
 
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