Materiais eletrônicos essenciais: Parte 4 - Compostos de gálio

1 Introdução

Os compostos à base de gálio, incluindo o óxido de gálio (Ga2O3), o arseneto de gálio (GaAs) e o nitreto de gálio (GaN), têm atraído grande atenção no campo dos materiais eletrônicos e semicondutores devido às suas excepcionais propriedades físicas e químicas. Esses materiais apresentam uma gama diversificada de características elétricas, ópticas e térmicas, o que os torna indispensáveis para tecnologias avançadas.

O óxido de gálio (Ga2O3), com seu bandgap ultralargo e alto campo elétrico de ruptura, está surgindo como um material promissor para eletrônicos de alta potência, fotodetectores ultravioleta e outras aplicações optoeletrônicas. Enquanto isso, o arseneto de gálio (GaAs), um semicondutor de bandgap direto com mobilidade superior de elétrons e desempenho de alta frequência, há muito tempo é a pedra angular dos dispositivos optoeletrônicos, como lasers, LEDs e células fotovoltaicas. O nitreto de gálio (GaN), conhecido por seu amplo intervalo de banda, alta condutividade térmica e excelente eficiência, revolucionou a eletrônica de potência e os sistemas de comunicação de alta frequência.

As técnicas de síntese desses materiais - que vão desde a deposição de vapor químico e epitaxia de feixe molecular até processos híbridos inovadores - desempenham um papel fundamental na obtenção da qualidade e do desempenho desejados do cristal. Como os compostos de gálio continuam a impulsionar os avanços nas tecnologias de energia, optoeletrônica e sensoriamento, a compreensão de sua estrutura, propriedades e aplicações tornou-se vital para pesquisadores e profissionais do setor.

Este artigo apresenta uma visão geral abrangente das características estruturais, propriedades físicas, métodos de fabricação e aplicações de Ga2O3, GaAs e GaN, destacando seus avanços e perspectivas atuais no cenário de semicondutores em rápida evolução.

2 Óxido de gálio (Ga2O3)

O óxido de gálio, com a fórmula química Ga2O3, é um composto inorgânico com a fórmula química Ga2O3. É um semicondutor de banda larga com Eg=4,9eV, cujas propriedades de condutividade e luminescência têm atraído a atenção há muito tempo. O Ga2O3 é um material semicondutor de óxido transparente com amplas perspectivas de aplicação em dispositivos optoeletrônicos. Ele pode ser usado como uma camada isolante em materiais semicondutores à base de Ga, como um filtro UV e como um detector químico de O2.

Fig. 1 Pó de óxido de gálio

2.1 Estrutura cristalina do óxido de gálio

As cinco estruturas cristalinas do óxido de gálio são β-Ga2O3, α-Ga2O3, γ-Ga2O3, δ-Ga2O3 e ε-Ga2O3.

O β-Ga2O3, também conhecido como óxido de gálio monoclínico, tem uma estrutura cristalina monoclínica com o grupo espacial P21 (a=12,203, b=5,671, c=6,524 e β=105,76). O β-Ga2O3 consiste em unidades de óxido de gálio, que têm as características de alta mobilidade de elétrons, ampla lacuna de energia direta e boa estabilidade térmica. Atualmente, o β-Ga2O3 é usado principalmente nos campos de dispositivos semicondutores de alta potência e dispositivos optoeletrônicos de ultravioleta profundo.

O α-Ga2O3, também conhecido como óxido de gálio de sistema cristalino tetragonal, tem uma estrutura cristalina de um sistema cristalino tetragonal com grupo espacial C4V (a=12,22, c=5,86). O α-Ga2O3 é um excelente material óptico com alta transmitância de luz e boa resistência à corrosão. Ele tem uma ampla gama de aplicações em campos como optoeletrônica e comunicações optoeletrônicas.

O γ-Ga2O3, também conhecido como óxido de gálio de sistema cristalino cúbico, tem uma estrutura cristalina de sistema cristalino cúbico com grupo espacial Ia3 (a=13,54). O γ-Ga2O3 tem alta transmitância óptica, baixa densidade de defeitos e alta permeabilidade magnética, o que o torna um material em potencial para uso em dispositivos magneto-ópticos e detectores de UV.

O δ-Ga2O3, também conhecido como óxido de gálio do sistema cristalino ortorrômbico, tem uma estrutura cristalina ortorrômbica com o grupo espacial Pnma (a=7,794, b=5,580, c=5,395). O δ-Ga2O3 é um material com um alto bandgap, excelentes propriedades fotovoltaicas e boa estabilidade físico-química, além de ter uma ampla gama de aplicações.

O ε-Ga2O3, também conhecido como óxido de gálio com um sistema de cristal tripartido, tem uma estrutura cristalina de um sistema de cristal tripartido com grupo espacial R3c (a=12,170, c=24,812). O ε-Ga2O3 é um material com alta mobilidade de portador e alta estabilidade térmica, além de ter boas propriedades de resposta a UV. Atualmente, o ε-Ga2O3 é usado principalmente em detectores de UV e campos de eletrônica de potência.

Tabela 1 Comparação de diferentes estruturas de Ga2O3

2.2 Propriedades físicas e químicas do óxido de gálio

O Ga2O3 pode reagir com flúor gasoso para produzir GaF3, e o Ga2O3 dissolvido em 50% de HF dá o produto GaF3-3H2O. O Ga2O3 é solúvel em ácido nítrico diluído levemente quente, ácido clorídrico diluído e ácido sulfúrico diluído. Após a queima, o Ga2O3 não é solúvel nesses ácidos, nem mesmo em ácido nítrico concentrado, nem em soluções aquosas de bases fortes, e só pode se tornar solúvel pela fusão de NaOH, KOH ou KHSO4 e K2S2O7. O cloreto de gálio é produzido pela fusão com o dobro do excesso de NH4Cl a 250°C. No calor vermelho, o Ga2O3 reage com o quartzo para formar um corpo vítreo, mas nenhum novo composto é formado no resfriamento. Ele também reage com cadinhos de porcelana esmaltada no calor vermelho.

Sob condições aquecidas, o Ga2O3 pode reagir com muitos óxidos metálicos. A estrutura cristalina do galato M(I)GaO2 obtido por reação com óxidos de metais alcalinos (acima de 400°C) foi determinada e, assim como o Al2O3 e o Ln2O3, ele reage com MgO, ZnO, CoO, NiO e CuO para formar o M(II)Ga2O4 do tipo espinélio. O produto da reação com os óxidos metálicos trivalentes, M(III)GaO3, geralmente tem estruturas do tipo calcocita ou granada (por exemplo, o galato de lantanídeo LnGaO3). Também estão disponíveis óxidos ternários mais complexos. Os óxidos mistos de gálio foram estudados para uso em lasers, fosforescência e materiais luminescentes. Acredita-se que as propriedades luminescentes dos sais de gálio sejam atribuídas às vacâncias de oxigênio. Como o FeGaO3 tem propriedades eletromagnéticas intrigantes (ou seja, piezoeletricidade e ferromagnetismo), sua síntese, estabilidade e estrutura cristalina foram amplamente estudadas.

Como material semicondutor, o óxido de gálio tem uma banda proibida ultra-larga, com uma força de campo elétrico de ruptura muito maior do que a de outros materiais semicondutores de banda larga. Ele tem menor resistência à ativação no mesmo nível de tensão, o que reduz a perda de energia. Embora a condutividade térmica do óxido de gálio em si seja baixa, o problema de dissipação de calor pode ser resolvido com o uso de encapsulamento e outros meios, o que contribui para a operação estável do dispositivo com alta densidade de potência. Os dispositivos de óxido de gálio também podem ser operados em temperaturas mais altas e são adaptados a ambientes adversos.

2.3 Preparação do óxido de gálio

1. Método de redução direta: Esse método obtém nitreto de gálio reagindo nitrogênio com gálio metálico e, em seguida, oxidado a óxido de gálio em oxigênio. Esse método pode obter óxido de gálio de pureza relativamente alta, mas o processo é complicado, requer ambiente de alta temperatura e alta pressão, e o custo de produção é alto.

2. Métodode deposição de vapor químico: Esse método prepara o óxido de gálio de alta pureza transportando uma mistura de gases para uma câmara de reação, onde ocorre uma reação química em alta temperatura. Os gases de reação comumente usados incluem o tricloreto de gálio (GaCl3).

3. Método ácido: Esse método consiste nas seguintes etapas:

• Oxidação: adicione matéria-prima líquida ao reator, adicione água régia gota a gota e agite, controle a temperatura entre 80-85°C, tempo de reação de 8±1 horas.
• Neutralização: A solução de Ga(NO3)3 e GaCl3 gerada é alimentada no tambor de reação, a amônia é adicionada e agitada para neutralizar o pH 7-7,5, e a temperatura do banho-maria é controlada em 60-70°C.
• Filtragem: A solução após a reação de neutralização foi filtrada em um pano de filtro para obter o precipitado de hidróxido de gálio.
• Lavagem: o precipitado de hidróxido de gálio é lavado de 5 a 6 vezes com água de alta pureza e depois filtrado.
• Secagem: Após a lavagem, o hidróxido de gálio é colocado no forno de secagem para secar a água, a temperatura de secagem é de 150°C e o tempo de secagem é de 20±2 horas.
• Torrefação: Após a secagem, o hidróxido de gálio é colocado no forno de torrefação para torrar e desidratar, a temperatura de torrefação é de 600-700 ℃ e o tempo de torrefação é de 3 ± 0,5 horas.
• Moagem: Após a torrefação, o óxido de gálio é moído por um moedor para atingir a malha necessária.
• Embalagem: Embalagem a vácuo dos produtos no depósito

2.4 Aplicações do óxido de gálio

1. Eletrônica de potência

O óxido de gálio tem uma força de campo elétrico de ruptura de até 8MV/cm, muito maior do que outros materiais semicondutores de banda larga, o que lhe dá uma vantagem significativa em cenários de aplicação de alta tensão, alta frequência e alta potência. Ele também tem menor resistência à ativação no mesmo nível de tensão, o que reduz a perda de energia e melhora a eficiência da conversão de energia. Embora o próprio óxido de gálio tenha baixa condutividade térmica, o problema de dissipação de calor pode ser resolvido por meio de encapsulamento e outros meios, o que contribui para a operação estável do dispositivo em altas densidades de potência. Ao mesmo tempo, os dispositivos de óxido de gálio podem funcionar em temperaturas mais altas e se adaptar a ambientes adversos. Portanto, o óxido de gálio tem uma ampla gama de perspectivas de aplicação no campo de dispositivos eletrônicos de potência, como sistemas de acionamento de motores para veículos elétricos e sistemas de transmissão de CC de alta tensão para redes inteligentes.

2. Dispositivos optoeletrônicos

Detector ultravioleta: O óxido de gálio tem grande potencial de aplicação no campo da optoeletrônica, podendo ser usado para fabricar detectores ultravioleta de alto desempenho com alta sensibilidade e resposta rápida. Esses detectores desempenham um papel importante no monitoramento ambiental, biomédico e em outros campos, como a detecção da concentração de ozônio na atmosfera e o conteúdo orgânico da água.

Diodo emissor de luz (LED) de UV profundo: A estrutura especial da banda de energia do material de óxido de gálio permite que ele emita luz ultravioleta profunda com comprimento de onda mais curto e energia mais alta, o que tem um efeito de esterilização mais significativo. Portanto, o LED ultravioleta profundo tem uma ampla gama de aplicações em esterilização e processos de fabricação de semicondutores, como a fotolitografia.

Fig. 2 Comparação das aplicações de SiC, GaN e Ga2O3

3. O sensor

As propriedades químicas e elétricas especiais do material semicondutor de óxido de gálio lhe conferem uma ampla gama de aplicações no campo dos sensores. Ele pode ser usado para fabricar sensores de umidade, sensores de temperatura, sensores de gás, sensores de pressão e outros sensores para atender às necessidades de diferentes campos.

4. Outras aplicações

Além dos campos acima, o material semicondutor de óxido de gálio também tem aplicações em outros campos. Por exemplo, ele pode ser usado para fabricar dispositivos de exibição flexíveis, materiais de bateria e assim por diante. Além disso, com o progresso contínuo da tecnologia e a redução de custos, o óxido de gálio também está expandindo gradualmente sua aplicação no campo da radiofrequência, como sistemas de radar, comunicações por satélite e estações base sem fio.

3 Arsenieto de gálio（GaAs）

O arseneto de gálio é um composto inorgânico com a fórmula química GaAs, um sólido preto-acinzentado com ponto de fusão de 1.238°C. Ele pode ser encontrado no ar abaixo de 600°C e não é atacado por ácidos não oxidantes. Pode ser estabilizado no ar abaixo de 600°C e não é corroído por ácidos não oxidantes. O arsenieto de gálio é um importante material semicondutor. Pertence ao semicondutor composto Ⅲ-V. É uma estrutura de rede do tipo esfalerita, constante de rede 5,65 × 10-10m, largura de banda proibida 1,4 eV.

3.1 Estrutura cristalina do arseneto de gálio

A estrutura cristalina do arseneto de gálio pertence ao sistema cristalino cúbico, estrutura cúbica de face centrada (FCC), os átomos de Ga estão localizados no ápice da estrutura cúbica de face centrada, os átomos de As estão localizados nas posições de face centrada dos átomos de Ga vizinhos, e os átomos de Ga e os átomos de As estão interconectados entre si por ligação covalente, o que faz com que o arseneto de gálio tenha propriedades de condução eletrônica. A constante de rede do cristal de GaAs é a=5,6535Å.

Fig. 3 Estrutura cristalina do arseneto de gálio

3.2 Propriedades físicas e químicas do arseneto de gálio

O GaAs tem algumas propriedades eletrônicas melhores do que o Si, o que permite que o GaAs seja usado acima de 250 GHz. Se os componentes equivalentes de GaAs e Si forem operados em altas frequências, o GaAs produzirá menos ruído. Além disso, como o GaAs tem uma tensão de colapso mais alta, ele é mais adequado para operações de alta potência do que o mesmo componente de Si. Devido a essas características, os circuitos de GaAs podem ser usados em telefones celulares, comunicações via satélite, links de micro-ondas ponto a ponto, sistemas de radar, etc. O GaAs tem sido usado para fabricar diodos Gann, diodos de micro-ondas e diodos Geng para emitir micro-ondas.

Tabela 2 Propriedades físicas do arseneto de gálio

3.3 Preparação do arseneto de gálio

1. Solidificação de gradiente vertical (VGF): esse é o principal processo para a produção de wafers de GaAs, por meio do crescimento de cristais únicos em um forno de solidificação de gradiente vertical, esse método produz cristais de maior qualidade.

2. Método de puxar o encapsulamento líquido (LEC): O método LEC é o principal processo de crescimento de monocristais de GaAs semi-isolados e não dopados; mais de 80% dos monocristais de GaAs semi-isolados no mercado usam esse método. O método LEC usa aquecedores de grafite e cadinhos de PBN, B2O3 como agente de vedação líquida, e o crescimento do cristal é realizado em um ambiente de argônio de 2 MPa. Esse método produz cristais com alta confiabilidade e boas propriedades de semi-isolamento, mas a dosagem química é mais difícil de controlar e a densidade de deslocamento é maior.

3. Método de Bridgman Horizontal (HB): Esse método já foi o principal processo de produção em massa de monocristais semicondutores de GaAs, usando barcos de quartzo e tubos de quartzo cultivados à pressão atmosférica. A vantagem do método HB é que o gradiente de temperatura é pequeno e a densidade de deslocamento é baixa, mas é difícil produzir monocristais de GaAs não dopados e semi-isolantes, e a interface de cristal para a forma de D, resultando em um desperdício de materiais.

4. Deposição de vapor químico (CVD): Os filmes finos de GaAs são gerados pela reação de precursores gasosos em altas temperaturas, o que é um dos métodos mais comumente usados para produzir monocristais de GaAs de alta qualidade.

3.4 Aplicações do arseneto de gálio

1. Campo de micro-ondas: O arseneto de gálio é amplamente utilizado no campo de micro-ondas, principalmente na fabricação de dispositivos de alta frequência, como transistores de efeito de campo de alto potencial (HEMT), transistores de efeito de campo de potencial de baixa tensão (LEMT), transistores bipolares, circuitos integrados de front-end de radiofrequência de metal-óxido-semicondutor complementar (CMOS) e assim por diante. Esses dispositivos desempenham um papel importante nas comunicações sem fio e nos sistemas de radar.

2. Campo da optoeletrônica: o arseneto de gálio é um excelente material de conversão fotoelétrica, usado na fabricação de lasers semicondutores de alta velocidade, células solares com eficiência energética, fotodetectores e interruptores fotoelétricos. Devido às suas características de bandgap direto, o arseneto de gálio no campo da optoeletrônica é particularmente proeminente, pode saltar diretamente para o estado excitado, adequado para a produção de LED (diodo emissor de luz) e lasers, como o VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), é amplamente utilizado nas comunicações de fibra óptica de data center de curta distância e reconhecimento facial TOF e outras tecnologias.

3. Campo de comunicação: No campo da comunicação, o GaAs é amplamente utilizado na comunicação por fibra óptica no receptor óptico, no modulador óptico do amplificador óptico e em outros dispositivos. Suas características de alta frequência, alta mobilidade de elétrons e baixo ruído fazem dele a escolha ideal para a comunicação por fibra óptica.

4. Campo de células solares: As células solares de GaAs têm alta eficiência de conversão fotoelétrica e estabilidade, e são consideradas a próxima geração de materiais eficientes para células solares. Sua alta eficiência de conversão fotoelétrica e estabilidade térmica fazem com que seja amplamente estudada e aplicada no campo das células solares.

5. Microeletrônica: No campo da microeletrônica, o GaAs é usado em circuitos de alta velocidade, memória flash, transistores de potência, matrizes ópticas planas e outros dispositivos. Sua alta mobilidade de elétrons e suas características de amplo intervalo de banda fazem com que ele tenha um bom desempenho em dispositivos eletrônicos de alta velocidade.

4 Nitreto de gálio（GaN）

A pesquisa e a aplicação do material GaN é a atual frente global de pesquisa de semicondutores e ponto quente, é o desenvolvimento de dispositivos microeletrônicos, dispositivos optoeletrônicos, novos materiais semicondutores e com SiC, diamante e outros materiais semicondutores, conhecidos como a primeira geração de materiais semicondutores Ge, Si, a segunda geração de GaAs, materiais semicondutores compostos InP após a terceira geração de materiais semicondutores. Ele tem as propriedades de amplo bandgap direto, fortes ligações atômicas, alta condutividade térmica, boa estabilidade química (dificilmente corroído por qualquer ácido) e forte resistência à irradiação, e tem uma ampla perspectiva em optoeletrônica, dispositivos de alta temperatura e alta potência e aplicações de dispositivos de micro-ondas de alta frequência.

Fig. 4 Nitreto de gálio em pó

4.1 Estrutura cristalina do nitreto de gálio

O nitreto de gálio (GaN) é um material semicondutor com uma estrutura cristalina que consiste em uma rede de átomos de gálio e nitrogênio. Os cristais de nitreto de gálio têm uma estrutura de sistema cristalino cúbico, e suas células contêm um arranjo de átomos com uma estrutura hexagonal compactada.

A estrutura de rede dos cristais de nitreto de gálio pode ser descrita como cada átomo de gálio cercado por quatro átomos de nitrogênio, e quatro átomos de gálio também cercam cada átomo de nitrogênio. Essa estrutura é conhecida como estrutura de esfalerita ou estrutura de alqueno helicoidal, que consiste em um arranjo alternado de ligações covalentes e iônicas formadas por átomos de gálio e nitrogênio.

Na estrutura do nitreto de gálio, os átomos de nitrogênio formam ligações covalentes com os átomos de gálio circundantes, e essas ligações covalentes dão ao cristal uma estrutura estável. Ao mesmo tempo, os átomos de nitrogênio aceitam elétrons dos átomos de gálio, formando íons positivos e negativos no cristal de nitreto de gálio. Essa combinação de ligações covalentes e iônicas proporciona ao nitreto de gálio boa mobilidade de elétrons e propriedades ópticas.

Além disso, a estrutura dos cristais de nitreto de gálio geralmente contém átomos de impureza, como silício e carbono, etc. A dopagem desses átomos de impureza pode modular as propriedades elétricas e ópticas do nitreto de gálio, tornando-o adequado para diferentes aplicações.

Fig. 5 Estrutura cristalina do nitreto de gálio

4.2 Propriedades do nitreto de gálio

O GaN é um composto extremamente estável e um material duro, de alto ponto de fusão, com ponto de fusão de cerca de 1700°C. O GaN tem um alto grau de ionização, que é o mais alto entre os compostos III-V (0,5 ou 0,43). À pressão atmosférica, os cristais de GaN geralmente têm uma estrutura hexagonal de zincita fibrilada. Ele tem quatro átomos em uma protocélula com um volume atômico de aproximadamente metade do volume do GaAs. Devido à sua dureza, é outro bom material para proteção de revestimentos.

Lacuna de energia e estrutura eletrônica: O gap de energia mais amplo do nitreto de gálio (cerca de 3,4 eV) proporciona alta transparência na região visível, o que é fundamental para dispositivos optoeletrônicos, como LEDs e lasers. Suas propriedades de bandgap direto significam que a conservação da energia e do momento se mantém quando os elétrons saltam, o que ajuda a melhorar a eficiência dos dispositivos optoeletrônicos. A estrutura eletrônica do GaN também determina sua mobilidade de elétrons e as propriedades de transporte de portadores, que são essenciais para as características de velocidade e potência do dispositivo.

Propriedades mecânicas: O nitreto de gálio tem uma alta dureza, próxima à da safira (cerca de 9 na escala de dureza de Mohs), o que o torna resistente a um certo grau de estresse mecânico e arranhões. Seu alto módulo de elasticidade torna o nitreto de gálio mais resistente e estável em aplicações, capaz de suportar um certo grau de pressão e tensão externas.

Propriedades térmicas: O nitreto de gálio tem excelente condutividade térmica, que é alta em relação a outros materiais semicondutores. Essa alta condutividade térmica permite que os dispositivos de nitreto de gálio dissipem efetivamente o calor durante a operação, reduzindo os gradientes de temperatura e melhorando o desempenho e a confiabilidade do dispositivo. Além disso, o coeficiente relativamente pequeno de expansão térmica do nitreto de gálio significa que ele é menos suscetível a alterações dimensionais e deformação durante as mudanças de temperatura, ajudando a manter a estabilidade estrutural do dispositivo.

Propriedades ópticas: O nitreto de gálio tem alta transparência e baixo coeficiente de absorção na região visível, o que permite a conversão eficiente de energia em dispositivos optoeletrônicos, como LEDs e lasers. Seu alto índice de refração permite que o nitreto de gálio obtenha um acoplamento óptico eficiente, aumentando assim a eficiência luminosa e a potência de saída dos dispositivos optoeletrônicos.

Estabilidade química: O nitreto de gálio tem boa estabilidade química e é resistente a muitas reações químicas comuns de corrosão e oxidação, como ácidos, álcalis e solventes. Isso permite que o nitreto de gálio mantenha um desempenho estável em uma variedade de condições ambientais adversas, como alta temperatura, alta umidade e ambientes de gás corrosivo.

Desempenho eletrônico: O nitreto de gálio tem excelente mobilidade de elétrons, normalmente na faixa de várias centenas a vários milhares de cm2/(V-s), o que lhe confere excelente desempenho em eletrônicos de alta frequência e alta potência. A alta mobilidade de elétrons e a alta taxa de desvio de saturação permitem que os dispositivos de nitreto de gálio tenham baixa resistência de ativação e altas velocidades de comutação para cenários de aplicação de alta velocidade e alta frequência.

4.3 Preparação do nitreto de gálio

O crescimento do material GaN é realizado pela reação química entre o Ga decomposto do TMGa e o NH3 em alta temperatura, com a equação de reação reversível:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

O crescimento do GaN requer uma determinada temperatura de crescimento e uma determinada pressão parcial de NH3. Os métodos normalmente utilizados são o MOCVD convencional (incluindo APMOCVD e LPMOCVD), o MOCVD aprimorado por plasma (PE-MOCVD) e o MBE assistido por ressonância ciclotrônica de elétrons. A temperatura necessária e a pressão parcial de NH3 são reduzidas sequencialmente. Um estudo indicou que o equipamento usado foi o AP-MOCVD com um reator horizontal e modificações especiais de projeto, usando TMGa e NH3 de alta pureza produzidos internamente como materiais de programa de origem, DeZn como fonte de dopagem do tipo P, safira (0001) com silício (111) como substrato usando aquecimento por indutância de alta frequência, silício de baixa resistência como gerador de calor e H2 de alta pureza como gás de transporte para a fonte de MO. O N2 de alta pureza foi usado como condicionamento da zona de crescimento. As medições de HALL, a difração de bicristal e a espectroscopia PL à temperatura ambiente foram usadas como caracterização qualitativa do GaN.

4.4 Aplicações do nitreto de gálio

1. Novos dispositivos eletrônicos

A série de materiais GaN com baixa taxa de geração de calor e alto campo elétrico de ruptura é um material importante para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos de alta temperatura e alta potência e dispositivos de micro-ondas de alta frequência. Atualmente, com o progresso da tecnologia MBE na aplicação de materiais de GaN e o avanço da tecnologia de crescimento de filmes finos, uma variedade de heteroestruturas de GaN foi desenvolvida com sucesso. Novos tipos de dispositivos, como transistores de efeito de campo de metal (MESFETs), transistores de efeito de campo de heterojunção (HFETs), transistores de efeito de campo dopados por modulação (MODFETs), etc., foram preparados a partir de materiais de GaN. A estrutura de AlGaN/GaN dopada por modulação tem alta mobilidade de elétrons (2000cm2/v-s), alta velocidade de saturação (1 × 107cm/s) e baixa constante dielétrica, é a produção de dispositivos de micro-ondas de materiais prioritários; GaN tem largura de banda proibida mais ampla (3,4eV) e safira e outros materiais para o substrato, o desempenho de dissipação de calor é bom, propício para o trabalho do dispositivo em condições de alta potência.

2. Dispositivos optoeletrônicos

A série de materiais GaN é um material ideal para dispositivos emissores de luz de comprimento de onda curto, e o intervalo de banda do GaN e de suas ligas abrange a faixa espectral do vermelho ao ultravioleta. Desde o desenvolvimento dos LEDs azuis de GaN de homojunção no Japão em 1991, foram lançados os LEDs azuis ultrabrilhantes de heterojunção dupla de InGaN/AlGaN e os GaNLEDs de poço quântico único de InGaN. Atualmente, os LEDs azuis e verdes de GaN de poço quântico único Zcd e 6cd entraram no estágio de produção em massa, preenchendo assim a lacuna de LEDs azuis no mercado por muitos anos. Os dispositivos emissores de luz azul têm um enorme mercado de aplicações nas áreas de acesso a informações de discos ópticos de alta densidade, telas totalmente ópticas e impressoras a laser. Com o aprofundamento contínuo do trabalho de pesquisa e desenvolvimento de materiais e dispositivos de nitreto de Ⅲ, a tecnologia de LED azul e verde ultra-alto GaInN foi comercializada, e agora as principais empresas e institutos de pesquisa do mundo investiram pesadamente para se juntar à concorrência no desenvolvimento do LED azul.

3. Sensores

O nitreto de gálio pode ser usado para fabricar sensores de pressão altamente precisos e sensíveis. As propriedades elétricas do nitreto de gálio mudam quando a pressão é aplicada externamente, e a pressão pode ser medida por meio da medição de parâmetros como resistência, capacitância ou efeito de campo. As propriedades térmicas dos materiais de nitreto de gálio os tornam adequados para a fabricação de sensores de alta temperatura. O nitreto de gálio tem excelente estabilidade e condutividade térmica em ambientes de alta temperatura e pode ser usado para fabricar sensores de alta temperatura, como sensores de temperatura de motores automotivos e sensores de monitoramento de processos de alta temperatura. Ele também pode ser usado para fabricar sensores de gás. A superfície do nitreto de gálio tem boa inércia química e pode ter reações químicas específicas com muitos gases, de modo que pode ser usada para detectar a concentração de gases específicos, como óxidos de nitrogênio, amônia, etc., usando suas propriedades químicas de superfície. Devido às excelentes propriedades ópticas do nitreto de gálio, sua aplicação em sensores ópticos pode realizar medições de alta precisão de parâmetros como intensidade, comprimento de onda e direção da luz. Por meio da modificação específica de biomoléculas com a superfície de materiais de nitreto de gálio, é possível realizar a detecção de alta sensibilidade e alta seletividade de biomoléculas, como DNA, proteínas, células etc.

Fig. 6 Aplicações do nitreto de gálio

5 Conclusão

Os compostos à base de gálio, incluindo Ga2O3, GaAs e GaN, representam uma pedra angular da moderna tecnologia de semicondutores devido às suas notáveis propriedades elétricas, ópticas e térmicas. Cada material possui pontos fortes exclusivos: o Ga2O3 se destaca em aplicações de alta potência e alta tensão com seu bandgap ultra-amplo e alto campo elétrico de ruptura, o GaAs continua sendo um material líder para dispositivos optoeletrônicos e de alta velocidade devido à sua alta mobilidade de elétrons e bandgap direto. Ao mesmo tempo, o GaN transformou a eletrônica de potência e os sistemas de comunicação de alta frequência com sua robustez, eficiência e ampla faixa operacional.

O desenvolvimento de técnicas de síntese avançadas, como deposição de vapor químico, epitaxia de feixe molecular e outros métodos de fabricação personalizados, possibilitou o controle preciso da qualidade do material, abrindo caminho para aplicações inovadoras em todos os setores. Desde a conversão de energia e detecção ultravioleta até a comunicação 5G e sistemas de energia renovável, os compostos de gálio estão impulsionando o progresso tecnológico e atendendo à crescente demanda por dispositivos de alto desempenho e eficiência energética.

À medida que a pesquisa e o desenvolvimento continuam, espera-se que esses materiais superem os desafios existentes, como o gerenciamento térmico e a escalabilidade, por meio da engenharia de materiais e da integração com tecnologias emergentes. Os compostos à base de gálio permanecerão na vanguarda da inovação, sustentando os avanços futuros em eletrônica, optoeletrônica e muito mais.

A Stanford Advanced Materials (SAM) é uma importante fornecedora de materiais de germânio de alta qualidade, apoiando essas aplicações críticas com soluções de materiais confiáveis.

Leia mais:

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 1 - Silício

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 2 - Carbeto de silício

Materiais eletrônicos essenciais: Parte 3 - Germânio