- GaN
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Kristallstruktur 
__ Ga3+ __ N3- Allgemeines Name Galliumnitrid Verhältnisformel 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]
Löslichkeit unlöslich in Wasser[1]
Sicherheitshinweise Gefahrstoffkennzeichnung [1] 
Reizend (Xi) R- und S-Sätze R: 43 S: 24-37 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. Mangan, ein bei Raumtemperatur magnetischer Halbleiter realisieren, wie er für die Spintronik von Interesse ist.
Inhaltsverzeichnis
Geschichte
Das Material wurde um 1930 zum ersten Mal synthetisiert und 1969 von Maruska und Tietjen erstmals mittels Hydridgasphasenepitaxie epitaktisch als Schicht aufgewachsen.[2] 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.[3][4]
Eigenschaften
GaN kristallisiert vorzugsweise in der (hexagonalen) Wurtzit-Struktur, die kubische Zinkblende-Modifikation ist nicht stabil.
Eigenschaft Wert Kristallsystem hexagonal (kubisch) Farbe farblos, weiß, grau, gelb Glanz Glasglanz Opazität durchsichtig bis undurchsichtig Spaltbarkeit gut häufige Kristallorientierung von Substraten (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 Herstellung
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 vorangetrieben. Eine weitere Herausforderung stellt die p-Dotierung des Halbleitermaterials dar, die 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.[4]
Einsatzgebiete
Dies führte zur ersten kommerziellen blauen LED die seit 1993 von Nichia vertrieben wird, sowie später zum ersten blauen Halbleiter-Laser (1997, Nichia). Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material Siliciumcarbid, das als indirekter Halbleiter für eine effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist. 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 physikalischer und chemischer Tatsachen.
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 Siliciumcarbid (SiC) und auf Silicium (Si) herstellen. Rein technisch gesehen ist GaN auf SiC, durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des SiC, vorteilhaft für Leistungsanwendungen. Im Vergleich zu Silicium sind die Substratkosten für Siliciumcarbid jedoch deutlich höher (etwa 1000 USD pro 4-Zoll-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 (Al,Ga)N/GaN-Transistoren gearbeitet. Erste Produktmuster von kommerziellen Anbietern werden im Jahre 2009 erwartet. Das Hauptaugenmerk der Entwicklungsarbeiten ist dabei auf die Bauelementzuverlässigkeit gerichtet.
Durch den Einsatz von GaN-basierenden LEDs werden heutige Beleuchtungstechniken revolutioniert werden. Ein erster Schritt dazu ist die seit mehreren Jahren stattfindende Umrüstung von Ampeln auf zuverlässigere und sparsamere LED-Technik welche erst durch die, Anfang der 1990er Jahre noch nicht verfügbaren, grünen GaN basierten LEDs ermöglicht wurde und die Einführung von LED basierten Tagfahrlichtern in PKWs. Bei letzterem wird durch den Einsatz blauer LEDs in Kombination mit Phosphoren, sogenannten Lumineszenz-Konvertern, ein weißer Lichteindruck erzeugt. Diese Phosphore wandeln einen Teil des blauen Lichtes in gelbes, und das menschliche Auge empfindet dies als weißes Licht. Durch verbesserte Phosphore, die breitbandiger abstrahlen, bzw. die Kombination mehrerer Phosphore bei verschiedenen Wellenlängen kann ein hochwertiges Weißlicht erzeugt werden, welches auch hohen Anforderungen genügt, d. h., einen hohen Farbwiedergabeindex erzielt. Detailliertere Informationen insbesondere zum Stand der Technik von LEDs finden sich im Artikel zu Leuchtdioden.
Einzelnachweise
- ↑ a b c d Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
- ↑ H. P. Maruska, J. J. Tietjen: Paramagnetic defects in GaN. In: Appl. Phys. Lett.. 15, 1969, S. 327.
- ↑ H. M. Manasevit, F. M. Erdmann, W. I. Simpson: The use of metalorganics in the preparation of semiconductor materials. IV. The nitrides of aluminum and gallium. In: J. Electrochem. Soc. 118, Nr. 11, 1971, S. 1864–1868.
- ↑ a b Norbert H. Nickel, Robert K. Willardson, Eicke R. Weber: Hydrogen in Semiconductors II. In: Semiconductors & Semimetals. 61, Academic Pr. Inc., 1999, ISBN 0127521704 (Goggle Books).
Literatur
- Michinobu Tsuda, Motoaki Iwaya, Satoru Kamiyama, Hiroshi Amano, Isamu Akasaki: 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.
- Tosja K. Zywietz: Thermodynamische und kinetische Eigenschaften von Galliumnitrid-Oberflächen. Berlin 2000, ISBN 978-3-934479-10-4
Weblinks
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