Gallium Nitride (질화 갈륨) GaN

주요물성

- 분자량 : 83.730 g/mol, 외관 : 노란 분말, 밀도 : 6.1g/㎤, 녹는점 : 1600°C 이상

- 밴드갭 : 3.4 eV (300 K), 열전도율 : 1.3 W/(cm·K), 굴절률(nD) : 2.429

- 결정 구조 : Wurtzite

 

질화갈륨(Gallium Nitride)는 1990년대부터 청색 발광 다이오드 등에 일반적으로 사용되는 반도체이며, Wurtzite 결정 구조를 가진 매우 단단한 물질이다. 3.4eV의 넓은 밴드 갭은 광전자, 고전력 및 고주파 장치의 응용 분야의 반도체로 활용가능성을 매우 높게 만든다.

또한, GaN은 이온화 방사선에 대한 민감도가 낮기 때문에 위성용 태양 전지 어레이에 적합한 재료이다. GaN 트랜지스터는 갈륨 비소(GaAs) 트랜지스터보다 훨씬 더 높은 온도에서 작동하고 훨씬 더 높은 전압에서 작동할 수 있기 때문에 전력, 통신 분야에서 유망한 반도체로 부상하고 있으며, 높은 전력 밀도와 전압 항복 한계로 인해 GaN은 5G용 반도체로 급부상하고 있다. 2020년대 초반부터 GaN 전력 트랜지스터는 AC 주전원 전기를 저전압 DC로 변환하여 전자 장비의 전원 공급 장치에 점점 더 많이 사용되고 있기도 하다.

 

물리적 특성

GaN 결정은 매우 단단하고, 높은 열용량과 열전도율을 가진 기계적으로 안정적인 와이드 밴드갭 반도체 재료이다. 순수한 물질에서도 균열에대한 저항이 높고, 격자 상수의 불일치에도 불구하고 사파이어 또는 탄화규소의 박막에 비교적 손쉽게 증착될 수 있다. GaN은 규소(Si) 또는 산소를 도핑하여, n형으로, 마그네슘(Mg)을 도핑하여 p형반도체를 만들 수 있다. 그러나 Si 및 Mg 원자는 GaN 결정이 성장하는 방식을 변경하여 인장 응력을 도입하고 부서지기 쉽게 만들기도 한다. 질화 갈륨 화합물은 ㎤ 당 108 ~ 1010의 높은 전하 밀도를 가지고 있다. 질화 갈륨은 1932 년 George Herbert Jones Laboratory, 1938 년 Robert Juza와 Harry Hahn 등에서 처음 합성되었다.

GaN 먼지는 피부, 눈 및 폐에 자극을 줄 수 있다. 덩어리상의 GaN은 무독성이며 생체 적합성이 있기 때문에, 살아있는 유기체의 임플란트 전극 및 전자 장치에 사용될 수 있다.

 

주요 응용

LED

고휘도 GaN 발광 다이오드(LED)는 청색으로서 높은 순도를 가지고 있어선 풀 컬러 LED 디스플레이, 백색 LED 및 청색 레이저 장치와 같은 응용 분야에 다양하게 사용된다. 최초의 GaN 기반 고휘도 LED는 사파이어 기판에 MOVPE를 통해 GaN를 증착하여 제작되었다. GaN LED는 우수한 광학적 특성으로 응용분야가 매우 높은 편이다.

 

GaN 트랜지스터 및 전력 IC

GaN는 항복 전압이 매우 높으며, 전자 이동성 등이 높아 고전력 및 고온 마이크로파 관련 반도체로 주목받고 있다. GaN을 기반으로 하는 고전력/고주파 반도체는 구체적으로 마이크로파 무선 주파수 전력 증폭기 및 전력망용 고전압 스위칭 장치에 사용될 수 있다. GaN 기반 RF 트랜지스터의 잠재적인 대중 시장 응용 분야는 현재 사용되는 마그네트론을 대체하는 전자레인지용 마이크로파 소스이다. 최초의 질화갈륨 금속 반도체 전계 효과 트랜지스터(GaN MESFET)는 1993년에 실험적으로 개발되었고, 지금도 계속 개발되고 있다.

GaN 반도체는 표준 실리콘 웨이퍼 위에 GaN의 얇은 층을 성장시켜 제작된다. 저전압 GaN 전력 IC 제작에 대한 학술 연구는 홍콩 과학 기술 대학교(HKUST)에서 시작되었고, 2015년에 첫 번째 장치가 개발 되었습니다. 상업용 GaN 전력 IC 생산은 2018년에 시작되었다.

2016년에 PMOS 및 NMOS 트랜지스터를 사용하는 최초의 0.5μm의 게이트 길이를 가지는 GaN CMOS 로직이 개발되기도 하였다.

 

LED 및 레이저

GaN 기반 보라색 레이저 다이오드는 Blue-ray 디스크를 읽는 데 사용된다. GaN과 In(InGaN) 또는 Al(Al)과 GaN의 비율에 따라 밴드 갭이 있는 Al(AlGaN)을 혼합하면 적색에서 자외선까지 갈 수 있는 색상의 발광 다이오드(LED)를 제조할 수도 있다.

GaN 고전자 이동도 트랜지스터(HEMT)는 2006년부터 상업적으로 제공되었고, 고효율 및 고전압 작동으로 인해 다양한 무선 인프라 응용 분야에서 다양하게 사용되고 있다. 또한 군용 레이더 등에서 전파를 증폭하는 장치로도 사용된다.

 

합성

GaN 결정은 750°C에서 N2 분위기에서 100기압 하에서 유지되는 용융 Na/Ga 용융물에서 성장할 수 있습니다. 또한 질화 갈륨은 또한 정상 대기압에서 900-980 °C의 용융 갈륨에 암모니아 가스를 주입하여 합성 할 수 있다.

 

2Ga + 2NH3 → 2GaN + 3H2

Ga2O3 + 2NH3 → 2GaN + 3H2O

 

청색, 백색 및 자외선 LED는 MOVPE에 의해 산업규모로 생산된다. 전구체는 트리메틸갈륨 또는 트리에틸갈륨을 함유한 암모니아이며, 운반 가스는 질소 또는 수소이다. 성장 온도 범위는 800 °C에서 1100 °C 사이이다. 트리메틸알루미늄 및/또는 트리메틸인듐의 도입은 양자 우물 및 다른 종류의 이종 구조를 성장시키는 데 필요하다.

상업적으로 GaN 결정은 분자 빔 에피택시(molecular beam epitaxy) 또는 금속 유기 증기상 에피택시를 사용하여 성장할 수 있다.