Nitruro di gallio

Il nitruro di gallio, un semiconduttore che ha rivoluzionato l’illuminazione a LED ad alta efficienza energetica, fu scoperto dai ricercatori della Cornell University le cui proprietà furono pubblicate in un articolo su Science il 26 settembre 2019.

Il nitruro di gallio è un semiconduttore III-V e ha una resistenza chimica molto elevata agli ambienti corrosivi grazie al forte legame esistente tra gallio e azoto. Unitamente al nitruro di alluminio e al nitruro di indio, il nitruro di gallio presenta elevatissima mobilità elettronica, elevato intervallo di band gap e biocompatibilità.

struttura
struttura

Ha una struttura monocristallina esagonale tipica della wurtzite, ma su scala nanometrica può essere sintetizzato in diversi gruppi morfologici come, ad esempio, nanoparticelle, nanobarre, nanotubi e fili quantici usando diverse tecniche di sintesi. Le particelle di nitruro di gallio hanno una durezza meccanica molto elevata e proprietà termiche e ottiche superiori che dipendono dalla dimensione dei nanocristalli a causa del confinamento quantistico.

Questo materiale possiede, infatti,  proprietà diverse quando è su scala nanometrica. Per un cristallo l’energia del band gap  è di 3.4  eV, ed è quindi trasparente nel campo del visibile, mentre per una polvere di dimensioni nanometriche il band gap è inferiore, come, ad esempio 2.15 eV per i nanotubi di nitruro di gallio.

Polvere di nitruro di gallio

La sintesi di polvere di nitruro di gallio monofase ad elevata purezza è stata ottenuta attraverso la reazione tra il gallio e l’ammoniaca utilizzando il bismuto come catalizzatore che si è rivelato molto efficace nell’aumentare la velocità di crescita della polvere di GaN. La sintesi, che viene fatta risalire agli anni ’30, avviene alla temperatura di 900–1000°C secondo la reazione:
2 Ga + 2 NH3 → 2 GaN + 3 H2

Il gallio metallico è un eccellente conduttore di calore ed elettricità ed utilizzato nella formazione molecolare del GaN per formare diodi laser, celle fotovoltaiche e moduli e amplificatori. Successivamente la preparazione del nitruro di gallio fu realizzata utilizzando il cloruro di gallio invece del gallio e ammoniaca che avviene secondo la reazione:
GaCl3 + NH3 → GaN + 3 HCl

Negli anni ’60 la sintesi di polvere di nitruro di gallio fu realizzata utilizzando polveri di fosfuro di gallio o arseniuro di gallio in presenza di ammoniaca a 1000-1100°C secondo la reazione:
4 GaP + 4 NH3 → 4 GaN + 4 P4 + 6 H2

Un altro metodo di sintesi prevede la riduzione seguita da nitrurazione dell’ossido di gallio in presenza di ammoniaca:
Ga2O3 + 2 NH3 → 2 GaN + 3 H2O

Nitruro di gallio in film sottili

Film sottili di nitruro di gallio policristallini su substrati di quarzo sono ottenuti dalla reazione tra cloruro di gallio e azoto secondo la reazione:
2 GaCl3 + N2 → GaN + 3 Cl2

I primi film epitassiali ottenuti dalla deposizione su una superficie monocristallina di zaffiro hanno utilizzato una scarica per dissociare l’azoto molecolare in azoto elementare e gallio. Dalla prima sintesi di strati GaN monocristallino in film sottile, sono state adottate molte altre strategie sintetiche come la deposizione chimica da vapore facendo reagire cloruro di gallio e ammoniaca su substrati di carburo di silicio.

Il metodo di deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (MOCVD) è attualmente utilizzato per  applicazioni commerciali su larga scala e prevede l’utilizzo di composti metallorganici del gallio come Ga(CH3)3:
Ga(CH3)3 + NH3 → GaN + 3 CH4

I metodi (MOVPE) e l’epitassia in fase vapore di idruro (HVPE), forniscono pellicole di alta qualità, tuttavia, si basano su temperature di crescita elevate e gas precursori tossici. Per contrastare gli inconvenienti dei processi di crescita convenzionali è invalsa la polverizzazione catodica o magnetron sputtering (MSE) che ha bassi costi operativi, elevata produttività oltre a utilizzare materiali di base non tossici come argon, azoto e ossigeno.

Inoltre, l’MSE ha il potenziale per produrre film con bassa densità di difetti a temperature inferiori rispetto alle tecniche di crescita consolidate, consentendo minori stress termici nei film e integrazione diretta con la tecnologia dei semiconduttori.

Magnetron sputtering

Il meccanismo dello sputtering avviene attraverso l’espulsione di atomi da un bersaglio sotto il bombardamento di ioni. Un gas di lavoro, solitamente Ar e N2 inerte viene introdotto in una camera di sputtering sotto vuoto.

Sputtering
Sputtering

Viene applicata una polarizzazione di tensione negativa al bersaglio di sputtering per avviare il processo di ionizzazione del gas. Quando il gas viene ionizzato, si forma un plasma costituito da elettroni e ioni caricati positivamente.

A causa della polarizzazione negativa del bersaglio, gli ioni accelerano e colpiscono il bersaglio con un’energia cinetica proporzionale alla polarizzazione del bersaglio. Al di sopra di una soglia di energia, gli atomi del bersaglio sono espulsi, viaggiano attraverso il plasma e infine si condensano sulla superficie del substrato. Nello sputtering reattivo, le reazioni avvengono tra gli atomi metallici e ioni spruzzati da un bersaglio e il gas reattivo sulla superficie del substrato, formando una pellicola sottile.

Usi

Il nitruro di gallio è emerso come uno dei materiali più attraenti per le tecnologie a radiofrequenza e di conversione di potenza che richiedono dispositivi ad alta potenza e ad alta frequenza. Ha trovato molte applicazioni nell’optoelettronica e una delle sue applicazioni più conosciute è il diodo laser viola basato su utilizzato per leggere i Blu-ray Disc, supporti di memoria di tipo ottico in grado di memorizzare contenuti in Full HD e Ultra HD.

Blu ray Disc
Blu ray Disc

I transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) basati sul nitruro di gallio sono componenti chiave in diverse applicazioni che vanno dalla difesa alle comunicazioni. I materiali epitassiali di nitruro di gallio cresciuti su substrati di zaffiro rappresentano una piattaforma tecnologica molto importante per i diodi a emissione di luce visibile (LED) e la tecnologia di illuminazione a stato solido.

Sfruttando le proprietà ottiche e dielettriche ingegnerizzabili, le nanostrutture di nitruro di gallio sono utilizzate in un’ampia gamma di dispositivi come LED, diodi laser, biosensori, celle solari, transistor ad effetto di campo, fotocatalizzatori per la scissione dell’acqua e nanogeneratori piezoelettrici che trasformano il calore esterno in energia sfruttando materiali piroelettrici sensibili anche alla minima variazione di temperatura.

I semiconduttori al nitruro di gallio offrono prestazioni ad alta velocità e ridotte emissioni di carbonio, rendendoli un punto di svolta nel campo dell’elettronica.  I semiconduttori al nitruro di gallio stanno trovando applicazioni nei server dei data center in sostituzione di quelli al silicio che mostrano limiti nella potenza di elaborazione in modo efficace ed efficiente.

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