필수 전자 재료: 4부 - 갈륨 화합물

1 소개

산화갈륨(Ga2O3), 비소갈륨(GaAs), 질화갈륨(GaN)을 포함한 갈륨 기반 화합물은 뛰어난 물리적, 화학적 특성으로 인해 전자 및 반도체 재료 분야에서 큰 주목을 받고 있습니다. 이러한 소재는 다양한 전기적, 광학적, 열적 특성을 지니고 있어 첨단 기술에 없어서는 안 될 필수 요소입니다.

산화갈륨(Ga2O3)은 매우 넓은 밴드갭과 높은 항복 전기장을 가지고 있어 고전력 전자기기, 자외선 광검출기 및 기타 광전자 애플리케이션에 유망한 소재로 떠오르고 있습니다. 한편, 전자 이동도와 고주파 성능이 뛰어난 직접 밴드갭 반도체인 갈륨비소(GaAs)는 레이저, LED, 광전지와 같은 광전자 장치의 초석으로 오랫동안 사용되어 왔습니다. 넓은 밴드갭, 높은 열전도율, 뛰어난 효율로 유명한 질화 갈륨(GaN)은 전력 전자 장치와 고주파 통신 시스템에 혁명을 일으켰습니다.

화학 기상 증착과 분자 빔 에피택시부터 혁신적인 하이브리드 공정에 이르기까지 이러한 물질의 합성 기술은 원하는 결정 품질과 성능을 달성하는 데 중요한 역할을 합니다. 갈륨 화합물이 전력, 광전자 및 감지 기술의 발전을 지속적으로 주도함에 따라 연구자와 업계 전문가 모두에게 구조, 특성 및 응용 분야에 대한 이해가 중요해졌습니다.

이 문서에서는 Ga2O3, GaAs, GaN의 구조적 특성, 물리적 특성, 제조 방법, 응용 분야에 대한 포괄적인 개요를 제공하고, 빠르게 진화하는 반도체 환경에서의 현재 발전과 전망을 강조합니다.

2 산화갈륨(Ga2O3)

산화갈륨은 화학식이 Ga2O3인 무기 화합물입니다. Eg=4.9eV의 광대역 반도체로 전도성과 발광 특성으로 오랫동안 주목을 받아왔습니다. Ga2O3는 투명 산화물 반도체 소재로 광전자 소자에서 폭넓게 응용될 수 있습니다. Ga 기반 반도체 소재의 절연층, 자외선 필터, O2 화학 검출기 등으로 사용할 수 있습니다.

그림 1 산화 갈륨 분말

2.1 산화갈륨의 결정 구조

산화갈륨의 다섯 가지 결정 구조는 β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 및 ε-Ga2O3입니다.

단사방정식 산화갈륨으로도 알려진 β-Ga2O3는 공간 그룹 P21(a=12.203, b=5.671, c=6.524, β=105.76)의 단사방정식 결정 구조를 가집니다. β-Ga2O3는 높은 전자 이동도, 넓은 직접 에너지 갭, 우수한 열 안정성 등의 특성을 가진 산화 갈륨 단위로 구성되어 있습니다. 현재 β-Ga2O3는 주로 고전력 반도체 장치 및 심자외선 광전자 장치 분야에서 사용됩니다.

정방정계 산화갈륨으로도 알려진 α-Ga2O3는 공간 그룹 C4V(a=12.22, c=5.86)의 정방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. α-Ga2O3는 빛 투과율이 높고 내식성이 우수한 광학 소재입니다. 광전자 및 광전자 통신과 같은 분야에서 광범위하게 응용되고 있습니다.

입방정계 산화갈륨으로도 알려진 γ-Ga2O3는 공간 그룹 Ia3(a=13.54)의 입방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. γ-Ga2O3는 높은 광학 투과율, 낮은 결함 밀도, 높은 자기 투과성을 가지고 있어 자기 광학 및 UV 검출기 장치에 사용할 수 있는 잠재적 소재입니다.

사방정계 산화갈륨으로도 알려진 δ-Ga2O3는 공간 그룹 Pnma(a=7.794, b=5.580, c=5.395)의 사방정계 결정 구조를 가지고 있습니다. δ-Ga2O3는 높은 밴드갭, 우수한 광전지 특성, 우수한 물리화학적 안정성을 가진 물질로 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다.

ε-Ga2O3는 삼원 결정계를 가진 산화갈륨으로도 알려져 있으며, 공간 그룹 R3c(a=12.170, c=24.812)의 삼원 결정계 결정 구조를 가지고 있습니다. ε-Ga2O3는 캐리어 이동도가 높고 열 안정성이 높으며 자외선 반응성이 좋은 소재입니다. 현재 ε-Ga2O3는 주로 UV 감지기 및 전력 전자 분야에서 사용됩니다.

표 1 Ga2O3의 다양한 구조 비교

2.2 산화갈륨의 물리적 및 화학적 특성

Ga2O3는 불소 가스와 반응하여 GaF3를 생성 할 수 있으며, Ga2O3를 50 % HF에 용해하면 GaF3-3H2O 제품이 생성됩니다.Ga2O3는 약간 뜨거운 묽은 질산, 묽은 염산 및 묽은 황산에 용해됩니다. 연소 후 Ga2O3는 이러한 산이나 농축 질산, 강염기 수용액에도 용해되지 않으며 NaOH, KOH 또는 KHSO4와 K2S2O7을 함께 녹여야만 용해될 수 있습니다. 염화갈륨은 250°C에서 과량의 NH4Cl을 두 배로 녹여 생산됩니다. 적열에서 Ga2O3는 석영과 반응하여 유리체를 형성하지만 냉각 시 새로운 화합물은 형성되지 않습니다. 또한 적열에서 유약을 바른 도자기 도가니와도 반응합니다.

가열된 조건에서 Ga2O3는 많은 금속 산화물과 반응할 수 있습니다. 알칼리 금속 산화물(400°C 이상)과 반응하여 얻은 갈레이트 M(I)GaO2의 결정 구조가 결정되었으며, Al2O3 및 Ln2O3와 마찬가지로 MgO, ZnO, CoO, NiO 및 CuO와 반응하여 스피넬형 M(II)Ga2O4를 형성합니다. 3가 금속 산화물인 M(III)GaO3와의 반응 생성물은 일반적으로 칼코사이트 또는 가넷형 구조(예: 란타나이드 갈레이트 LnGaO3)를 갖습니다. 더 복잡한 삼원계 산화물도 사용할 수 있습니다. 갈륨의 혼합 산화물은 레이저, 인광 및 발광 물질에 사용하기 위해 연구되어 왔습니다. 갈륨 염의 발광 특성은 산소 결핍에 기인하는 것으로 알려져 있습니다. 갈륨염은 흥미로운 전자기적 특성(예: 압전성 및 강자성)을 가지고 있기 때문에 그 합성, 안정성 및 결정 구조에 대한 연구가 광범위하게 진행되어 왔습니다.

반도체 재료로서 산화갈륨은 다른 광대역 반도체 재료보다 훨씬 높은 파괴 전기장 강도를 가진 초광대역 금지 대역을 가지고 있습니다. 동일한 전압 레벨에서 온저항이 낮아 에너지 손실이 줄어듭니다. 산화 갈륨 자체의 열전도율은 낮지만 캡슐화 등을 통해 방열 문제를 해결할 수 있어 높은 전력 밀도에서 디바이스의 안정적인 작동에 기여합니다. 산화 갈륨 장치는 고온에서도 작동할 수 있으며 열악한 환경에도 적합합니다.

2.3 산화 갈륨의 준비

1. 직접 환원 방법: 이 방법은 질소와 갈륨 금속을 반응시켜 질화갈륨을 얻은 다음 산소에서 산화갈륨으로 산화시키는 방법입니다. 이 방법은 비교적 고순도의 산화 갈륨을 얻을 수 있지만 공정이 복잡하고 고온, 고압 환경이 필요하며 생산 비용이 높습니다.

2. 화학 기상 증착 방법: 이 방법은 가스 혼합물을 고온에서 화학 반응이 일어나는 반응 챔버로 운반하여 고순도 산화 갈륨을 제조합니다. 일반적으로 사용되는 반응 가스로는 삼염화 갈륨(GaCl3)이 있습니다.

3. 산성 방법: 이 방법은 다음 단계로 구성됩니다:

• 산화: 액체 원료를 반응기에 넣고 아쿠아 레지아를 한 방울씩 떨어뜨린 후 교반하고 80~85℃에서 온도를 조절하며 반응 시간은 8±1시간입니다.
• 중화: 생성 된 Ga (NO3) 3 및 GaCl3 용액을 반응 드럼에 공급하고 암모니아를 첨가하고 교반하여 pH 7-7.5로 중화시키고 수조의 온도를 60-70 ℃로 제어합니다.
• 여과: 중화 반응 후 용액을 여과포를 통해 여과하여 수산화 갈륨 침전물을 얻었습니다.
• 세척: 수산화 갈륨 침전물을 고순도 물로 5~6회 세척한 후 여과합니다.
• 건조: 세척 후 수산화 갈륨을 건조 오븐에 넣어 물을 건조시키고 건조 온도는 150℃, 건조 시간은 20±2시간입니다.
• 로스팅: 건조 후 수산화 갈륨을 로스팅로에 넣어 로스팅 및 탈수하고 로스팅 온도는 600-700 ℃, 로스팅 시간은 3 ± 0.5 시간입니다.
• 연삭: 로스팅 후 산화 갈륨은 분쇄기로 분쇄하여 필요한 메쉬에 도달합니다.
• 포장: 제품을 창고에 진공 포장

2.4 산화 갈륨의 응용

1. 전력 전자

산화갈륨은 다른 광대역 반도체 소재보다 훨씬 높은 최대 8MV/cm의 파괴 전기장 강도를 가지고 있어 고전압, 고주파, 고전력 애플리케이션 시나리오에서 상당한 이점을 제공합니다. 또한 동일한 전압 레벨에서 온저항이 낮아 에너지 손실을 줄이고 에너지 변환 효율을 향상시킵니다. 산화 갈륨 자체는 열전도율이 낮지만 캡슐화 및 기타 수단을 통해 방열 문제를 해결할 수 있으므로 높은 전력 밀도에서 장치의 안정적인 작동에 기여합니다. 동시에 산화 갈륨 장치는 더 높은 온도에서 작동하고 열악한 환경에 적응할 수 있습니다. 따라서 산화 갈륨은 전기 자동차 용 모터 구동 시스템 및 스마트 그리드 용 고전압 DC 전송 시스템과 같은 전력 전자 장치 분야에서 광범위한 응용 전망을 가지고 있습니다.

2. 광전자 장치

자외선 감지기: 산화 갈륨은 광전자 분야에서 응용 가능성이 매우 높으며, 고감도 및 빠른 응답을 갖춘 고성능 자외선 검출기를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 검출기는 대기 중 오존 농도 및 물의 유기물 함량 검출과 같은 환경 모니터링, 생물 의학 및 기타 분야에서 중요한 역할을 합니다.

딥 UV 발광 다이오드(LED): 산화갈륨 소재의 특수한 에너지 밴드 구조로 인해 파장이 짧고 에너지가 높은 심자외선을 방출할 수 있어 살균 효과가 더 큽니다. 따라서 심자외선 LED는 살균 및 포토리소그래피와 같은 반도체 제조 공정에 광범위하게 응용되고 있습니다.

그림 2 SiC, GaN 및 Ga2O3의 응용 분야 비교

3. 센서

산화갈륨 반도체 소재의 특수한 화학적, 전기적 특성 덕분에 센서 분야에서 폭넓게 응용할 수 있습니다. 습도 센서, 온도 센서, 가스 센서, 압력 센서 및 기타 다양한 분야의 요구를 충족하는 센서를 만드는 데 사용할 수 있습니다.

4. 기타 응용 분야

위의 분야 외에도 산화갈륨 반도체 소재는 다른 분야에도 응용할 수 있습니다. 예를 들어 플렉서블 디스플레이 장치, 배터리 재료 등을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 또한 기술의 지속적인 발전과 비용 절감으로 산화갈륨은 레이더 시스템, 위성 통신 및 무선 기지국과 같은 무선 주파수 분야에서도 점차 적용 범위를 넓혀가고 있습니다.

3 갈륨 비소(GaAs)

갈륨 비소는 화학식 GaAs를 가진 무기 화합물로 녹는점이 1,238°C인 검은 회색 고체입니다. 600°C 이하의 공기 중에서 찾을 수 있으며 비산화 산에 의해 산화되지 않습니다. 600°C 이하의 공기 중에서 안정화될 수 있으며 비산화산에 의해 침식되지 않습니다. 갈륨 비소는 중요한 반도체 소재입니다. Ⅲ-V 화합물 반도체에 속합니다. 스팔러라이트형 격자 구조, 격자 상수 5.65 × 10-10m, 금지 밴드 폭 1.4 eV입니다.

3.1 갈륨 비소의 결정 구조

갈륨 비소의 결정 구조는 입방 결정계, 면 중심 입방 (FCC) 구조에 속하며, Ga 원자는 면 중심 입방 격자의 정점에 위치하고, As 원자는 인접한 Ga 원자의 면 중심 위치에 있으며, Ga 원자와 As 원자는 공유 결합에 의해 서로 연결되어있어 갈륨 비소가 전자 전도 특성을 갖습니다. GaAs 결정의 격자 상수는 a=5.6535Å입니다.

그림 3 갈륨 비소의 결정 구조

3.2 갈륨 비소의 물리적 및 화학적 특성

GaAs는 Si보다 전자적 특성이 우수하여 250GHz 이상에서 GaAs를 사용할 수 있습니다. 동일한 GaAs와 Si 부품이 모두 고주파에서 작동하는 경우, GaAs가 노이즈가 더 적게 발생합니다. 또한 GaAs는 붕괴 전압이 더 높기 때문에 동일한 Si 부품보다 고전력 작동에 더 적합합니다. 이러한 특성으로 인해 GaAs 회로는 휴대폰, 위성 통신, 마이크로파 지점 간 링크, 레이더 시스템 등에 사용될 수 있습니다. GaAs는 마이크로파를 방출하는 간 다이오드, 마이크로파 다이오드 및 겡 다이오드를 만드는 데 사용되었습니다.

표 2 갈륨 비소의 물리적 특성

3.3 갈륨 비소의 준비

1. 수직 구배 응고 (VGF): 이 방법은 수직 구배 응고로에서 단결정을 성장시킴으로써 고품질의 결정을 생산하는 GaAs 웨이퍼 생산의 주요 공정입니다.

2. 액체 캡슐화 풀링 방법(LEC): LEC 방법은 비도핑 반절연 GaAs 단결정을 성장시키는 주요 공정으로, 시중에 판매되는 반절연 GaAs 단결정의 80% 이상이 이 방법을 사용합니다. LEC 방법은 흑연 히터와 PBN 도가니, 액체 밀봉제로 B2O3를 사용하며, 2MPa의 아르곤 환경에서 결정 성장이 이루어집니다. 이 방법은 높은 신뢰성과 우수한 반절연 특성을 가진 결정을 생성하지만 화학 물질 투여량을 제어하기가 더 어렵고 전위 밀도가 더 높습니다.

3. 수평 브리지맨 방법(HB): 이 방법은 한때 대기압에서 성장한 석영 보트와 석영 튜브를 사용하여 반도체 GaAs 단결정을 대량 생산하기 위한 주요 공정이었습니다. HB 방법의 장점은 온도 구배가 작고 전위 밀도가 낮다는 것이지만 도핑되지 않은 반절연 GaAs 단결정 및 D 형의 결정 계면을 성장시키기가 어려워 재료 낭비가 발생한다는 것입니다.

4. 화학 기상 증착 (CVD): GaAs 박막은 고온에서 기체 전구체를 반응시켜 생성되며, 고품질 GaAs 단결정을 성장시키는 데 가장 일반적으로 사용되는 방법 중 하나입니다.

3.4 갈륨 비소의 응용 분야

1. 마이크로파 분야: 갈륨 비소는 마이크로파 분야에서 널리 사용되며 주로 고전위 전계 효과 트랜지스터(HEMT), 저전압 전계 효과 트랜지스터(LEMT), 양극성 트랜지스터, 상보성 금속 산화물 반도체(CMOS) 무선 주파수 프런트 엔드 집적 회로 등과 같은 고주파 장치 제조에 사용됩니다. 이러한 장치는 무선 통신 및 레이더 시스템에서 중요한 역할을 합니다.

2. 광전자 분야: 갈륨 비소는 고속 반도체 레이저, 에너지 효율적인 태양 전지, 광 검출기 및 광전 스위치 제조에 사용되는 우수한 광전 변환 소재입니다. 직접 밴드 갭 특성으로 인해 광전자 분야에서 갈륨 비소는 특히 두드러지고 여기 상태로 직접 뛰어들 수 있으며 LED (발광 다이오드) 및 VCSEL (수직 캐비티 표면 방출 레이저)과 같은 레이저 생산에 적합하며 단거리 데이터 센터 광섬유 통신 및 TOF 얼굴 인식 및 기타 기술에 널리 사용됩니다.

3. 통신 분야: 통신 분야에서 GaAs는 광 수신기, 광 증폭기 광 변조기 및 기타 장치의 광섬유 통신에 널리 사용됩니다. 고주파, 높은 전자 이동도 및 저잡음 특성으로 인해 광섬유 통신에 이상적인 선택입니다.

4. 태양 전지 분야: GaAs 태양전지는 높은 광전 변환 효율과 안정성을 가지고 있으며 차세대 고효율 태양전지 재료로 꼽힙니다. 높은 광전 변환 효율과 열 안정성으로 인해 태양 전지 분야에서 널리 연구되고 적용됩니다.

5. 마이크로 일렉트로닉스: 마이크로 일렉트로닉스 분야에서 GaAs는 고속 회로, 플래시 메모리, 전력 트랜지스터, 평면 광학 어레이 및 기타 장치에 사용됩니다. 높은 전자 이동도와 넓은 밴드갭 특성으로 인해 고속 전자 장치에서 우수한 성능을 발휘합니다.

4 질화 갈륨(GaN)

GaN 재료 연구 및 응용은 현재 글로벌 반도체 연구 분야이자 핫스팟이며, 마이크로 전자 장치, 광전자 장치, 새로운 반도체 재료의 개발이며 SiC, 다이아몬드 및 기타 반도체 재료와 함께 1세대 Ge, Si 반도체 재료, 2세대 GaAs, InP 화합물 반도체 재료 이후 3세대 반도체 재료로 알려진 반도체 재료입니다. 넓은 직접 밴드갭, 강한 원자 결합, 높은 열전도율, 우수한 화학적 안정성(산에 거의 부식되지 않음), 조사에 대한 강한 내성 등의 특성을 가지고 있으며 광전자, 고온 고전력 장치 및 고주파 마이크로파 장치 응용 분야에서 광범위한 전망을 가지고 있습니다.

그림 4 질화 갈륨 분말

4.1 질화 갈륨의 결정 구조

질화갈륨 (GaN)은 갈륨과 질소 원자의 격자로 구성된 결정 구조를 가진 반도체 소재입니다. 질화 갈륨 결정은 정육면체 결정계 구조를 가지며, 그 세포는 육각형의 밀집된 구조를 가진 원자 배열을 포함합니다.

질화 갈륨 결정의 격자 구조는 각 갈륨 원자가 4개의 질소 원자로 둘러싸여 있고, 4개의 갈륨 원자가 각 질소 원자를 둘러싸고 있는 것으로 설명할 수 있습니다. 이 구조는 갈륨과 질소 원자에 의해 형성된 공유 결합과 이온 결합의 교대 배열로 구성된 스팔러라이트 구조 또는 나선형 알켄 구조로 알려져 있습니다.

질화 갈륨의 구조에서 질소 원자는 주변 갈륨 원자와 공유 결합을 형성하고 이러한 공유 결합은 결정에 안정적인 구조를 제공합니다. 동시에 질소 원자는 갈륨 원자로부터 전자를 받아들여 질화 갈륨 결정에 양이온과 음이온을 형성합니다. 이러한 공유 결합과 이온 결합의 조합은 질화 갈륨에 우수한 전자 이동도와 광학적 특성을 부여합니다.

또한 질화갈륨 결정의 격자에는 실리콘과 탄소 등의 불순물 원자가 포함되어 있는 경우가 많습니다. 이러한 불순물 원자의 도핑은 질화 갈륨의 전기적 및 광학적 특성을 변조하여 다양한 응용 분야에 적합하게 만들 수 있습니다.

그림 5 질화 갈륨의 결정 구조

4.2 질화 갈륨의 특성

GaN은 매우 안정적인 화합물이며 녹는점이 약 1700°C인 단단하고 높은 융점 물질입니다. GaN은 이온화도가 높아 III-V 화합물 중 가장 높습니다(0.5 또는 0.43). 대기압에서 GaN 결정은 일반적으로 육각형의 피브릴화 징크사이트 구조를 갖습니다. 원자 부피가 GaAs의 절반 정도인 프로토셀에 4개의 원자가 들어 있습니다. 경도가 높기 때문에 코팅 보호에 좋은 또 다른 소재입니다.

에너지 갭과 전자 구조: 질화갈륨의 넓은 에너지 갭(약 3.4eV)은 가시광선 영역에서 높은 투명도를 제공하며, 이는 LED 및 레이저와 같은 광전자 장치에 매우 중요합니다. 직접 밴드갭 특성은 전자가 점프할 때 에너지와 운동량 보존이 유지되어 광전자 소자의 효율을 개선하는 데 도움이 된다는 것을 의미합니다. GaN의 전자 구조는 또한 장치의 속도와 전력 특성에 중요한 전자 이동도 및 캐리어 수송 특성을 결정합니다.

기계적 특성: 질화 갈륨은 사파이어에 가까운 높은 경도(모스 경도 척도에서 약 9)를 가지고 있어 어느 정도의 기계적 스트레스와 긁힘에 강합니다. 탄성 계수가 높기 때문에 질화갈륨은 어느 정도의 외부 압력과 변형을 견딜 수 있어 응용 분야에서 더욱 탄력적이고 안정적입니다.

열적 특성: 질화 갈륨은 다른 반도체 재료에 비해 열전도율이 뛰어나며, 다른 반도체 재료에 비해 열전도율이 높습니다. 이러한 높은 열전도율 덕분에 질화 갈륨 장치는 작동 중에 열을 효과적으로 방출하여 온도 변화를 줄이고 장치 성능과 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 질화 갈륨은 열팽창 계수가 상대적으로 작기 때문에 온도 변화 시 치수 변화와 변형에 덜 민감하여 장치의 구조적 안정성을 유지하는 데 도움이 됩니다.

광학 특성: 질화 갈륨은 가시광선 영역에서 높은 투명도와 낮은 흡수 계수를 가지고 있어 LED 및 레이저와 같은 광전자 장치에서 효율적인 에너지 변환을 달성할 수 있습니다. 굴절률이 높은 질화 갈륨은 효율적인 광학 결합을 달성하여 광전자 장치의 발광 효율과 출력을 높일 수 있습니다.

화학적 안정성: 질화 갈륨은 화학적 안정성이 우수하고 산, 알칼리, 용매와 같은 일반적인 화학적 부식 및 산화 반응에 대한 내성이 있습니다. 따라서 질화 갈륨은 고온, 고습, 부식성 가스 환경과 같은 다양한 열악한 환경 조건에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있습니다.

전자 성능: 질화 갈륨은 일반적으로 수백에서 수천 cm2/(V-s) 범위의 뛰어난 전자 이동도를 가지고 있어 고주파 및 고전력 전자 장치에서 뛰어난 성능을 발휘합니다. 높은 전자 이동도와 높은 포화 드리프트율 덕분에 질화 갈륨 소자는 고속, 고주파 애플리케이션 시나리오에서 낮은 온저항과 높은 스위칭 속도를 구현할 수 있습니다.

4.3 질화 갈륨의 준비

GaN 물질의 성장은 가역적인 반응식을 통해 고온에서 TMGa에서 분해된 Ga와 NH3 사이의 화학 반응에 의해 실현됩니다:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

GaN을 성장시키려면 특정 성장 온도와 특정 분압의 NH3가 필요합니다. 사람들이 일반적으로 사용하는 방법은 기존 MOCVD(APMOCVD 및 LPMOCVD 포함), 플라즈마 강화 MOCVD(PE-MOCVD) 및 전자 사이클로트론 공명 보조 MBE입니다. 필요한 온도와 NH3 분압이 순차적으로 감소합니다. 연구에 사용된 장비는 수평 반응기와 특수 설계 변경이 적용된 AP-MOCVD로, 국산 고순도 TMGa와 NH3를 소스 프로그램 재료로, DeZn을 P형 도핑 소스로, (0001) 사파이어와 (111) 실리콘을 기판으로 고주파 인덕턴스 가열, 저저항 실리콘을 발열기로, 고순도 H2를 MO 소스용 운반 기체로 사용했습니다. 고순도 N2는 성장 영역의 컨디셔닝으로 사용되었습니다. HALL 측정, 이결정 회절 및 실온 PL 분광법은 GaN의 정성적 특성 분석에 사용되었습니다.

4.4 질화 갈륨의 응용 분야

1. 새로운 전자 기기

발열률이 낮고 파괴 전기장이 높은 GaN 재료 계열은 고온 고출력 전자 장치 및 고주파 마이크로파 장치 개발에 중요한 재료입니다. 현재 GaN 소재 적용에 있어 MBE 기술의 발전과 핵심 박막 성장 기술의 획기적인 발전으로 다양한 GaN 헤테로 구조가 성공적으로 성장했습니다. 금속 전계 효과 트랜지스터(MESFET), 이종 접합 전계 효과 트랜지스터(HFET), 변조 도핑 전계 효과 트랜지스터(MODFET) 등과 같은 새로운 유형의 장치가 GaN 재료로부터 준비되었습니다. 변조 도핑 된 AlGaN / GaN 구조는 높은 전자 이동도 (2000cm2 / v-s), 높은 포화 속도 (1 × 107cm / s) 및 낮은 유전 상수를 가지며, 우선 순위 재료의 마이크로파 장치 생산입니다; GaN 더 넓은 금지 대역폭 (3.4eV) 및 기판 용 사파이어 및 기타 재료, 방열 성능이 우수하여 고전력 조건에서 장치 작동에 도움이됩니다.

2. 광전자 소자

GaN 소재 시리즈는 단파장 발광 소자에 이상적인 소재이며, GaN과 그 합금의 밴드갭은 적색에서 자외선까지 스펙트럼 범위를 포괄합니다. 1991년 일본에서 동접합 GaN 청색 LED가 개발된 이후 InGaN/AlGaN 이중 이종접합 초휘도 청색 LED와 InGaN 단일 양자 우물 GaNLED가 소개되었습니다. 현재 Zcd 및 6cd 단일 양자 우물 GaN 청색 및 녹색 LED는 대량 생산 단계에 진입하여 수년 동안 시장에서 청색 LED의 격차를 메우고 있습니다. 청색 발광 소자는 고밀도 광디스크, 전광 디스플레이 및 레이저 프린터의 정보 액세스 분야에서 거대한 응용 시장을 가지고 있습니다. 질화 3 질화물 소재 및 소자 연구 개발 작업이 계속 심화됨에 따라 GaInN 초고 청색 및 녹색 LED 기술이 상용화되었으며 현재 세계 주요 기업과 연구 기관은 청색 LED 개발 경쟁 대열에 합류하기 위해 막대한 투자를하고 있습니다.

3. 센서

질화 갈륨은 매우 정확하고 민감한 압력 센서를 만드는 데 사용할 수 있습니다. 질화 갈륨의 전기적 특성은 외부에서 압력이 가해지면 변화하며 저항, 커패시턴스 또는 전계 효과와 같은 파라미터를 측정하여 압력을 측정할 수 있습니다. 질화 갈륨 소재의 열적 특성으로 인해 고온 센서 제조에 적합합니다. 질화 갈륨은 고온 환경에서 안정성과 열 전도성이 뛰어나 자동차 엔진 온도 센서, 고온 공정 모니터링 센서와 같은 고온 센서를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. 또한 가스 센서 제조에도 사용할 수 있습니다. 질화 갈륨의 표면은 화학적 불활성이 우수하고 많은 가스와 특정 화학 반응을 일으킬 수 있으므로 표면 화학적 특성을 사용하여 질소 산화물, 암모니아 등과 같은 특정 가스의 농도를 감지하는 데 사용할 수 있습니다. 질화갈륨의 우수한 광학 특성으로 인해 광학 센서에 적용하면 광도, 파장, 방향과 같은 파라미터의 고정밀 측정을 실현할 수 있습니다. 질화갈륨 소재의 표면을 생체 분자에 특이적으로 변형시켜 DNA, 단백질, 세포 등과 같은 생체 분자의 고감도, 고선택도 검출을 실현할 수 있습니다.

그림 6 질화 갈륨의 응용 분야

5 결론

Ga2O3, GaAs, GaN을 포함한 갈륨 기반 화합물은 뛰어난 전기적, 광학적, 열적 특성으로 인해 현대 반도체 기술의 초석을 이루고 있습니다. Ga2O3는 매우 넓은 밴드갭과 높은 항복 전기장으로 고전력 및 고전압 애플리케이션에 탁월하고, GaAs는 높은 전자 이동도와 직접 밴드갭으로 인해 고속 및 광전자 디바이스의 선도적인 소재로 자리 잡고 있으며, 질화갈륨은 높은 전자 이동도와 직접 밴드갭으로 인해 고속 및 광전자 디바이스의 선도적인 소재입니다. 동시에 GaN은 견고성, 효율성, 넓은 작동 범위로 전력 전자 장치와 고주파 통신 시스템을 변화시켰습니다.

화학 기상 증착, 분자 빔 에피택시 및 기타 맞춤형 제조 방법과 같은 첨단 합성 기술의 개발로 재료 품질을 정밀하게 제어할 수 있게 되면서 산업 전반에 걸쳐 혁신적인 응용 분야를 위한 기반을 마련했습니다. 전력 변환 및 자외선 감지부터 5G 통신 및 재생 에너지 시스템에 이르기까지 갈륨 화합물은 기술 발전을 주도하고 에너지 효율적인 고성능 디바이스에 대한 수요 증가를 해결하고 있습니다.

연구 개발이 계속됨에 따라 이러한 소재는 소재 엔지니어링과 새로운 기술과의 통합을 통해 열 관리 및 확장성과 같은 기존 과제를 극복할 것으로 예상됩니다. 갈륨 기반 화합물은 전자, 광전자 등의 미래 발전을 뒷받침하는 혁신의 최전선에 서게 될 것입니다.

Stanford Advanced Materials(SAM) 는 고품질 게르마늄 소재의 핵심 공급업체로서 신뢰할 수 있는 소재 솔루션으로 이러한 중요한 응용 분야를 지원합니다.

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