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必須電子材料:パート4 - ガリウム化合物

1 はじめに

酸化ガリウム(Ga2O3)、ヒ化ガリウム(GaAs)、窒化ガリウム(GaN)などのガリウム系化合物は、その卓越した物理的・化学的特性から、電子・半導体材料の分野で大きな注目を集めてきた。これらの材料は、多様な電気的、光学的、熱的特性を示し、先端技術に不可欠な材料となっている。

酸化ガリウム(Ga2O3)は、その超広帯域バンドギャップと高ブレークダウン電界により、ハイパワーエレクトロニクス、紫外光検出器、その他のオプトエレクトロニクス用途に有望な材料として浮上している。一方、優れた電子移動度と高周波性能を持つダイレクトバンドギャップ半導体であるガリウムヒ素(GaAs)は、レーザー、LED、光電池などの光電子デバイスの要として長い間使われてきた。ワイドバンドギャップ、高熱伝導性、優れた効率で知られる窒化ガリウム(GaN)は、パワーエレクトロニクスや高周波通信システムに革命をもたらした。

これらの材料の合成技術は、化学気相成長法や分子線エピタキシー法から革新的なハイブリッドプロセスまで多岐にわたり、望ましい結晶品質と性能を達成する上で重要な役割を果たしている。ガリウム化合物が電力、オプトエレクトロニクス、センシング技術の進歩を牽引し続ける中、その構造、特性、応用を理解することは、研究者にとっても業界関係者にとっても不可欠となっている。

本稿では、Ga2O3、GaAs、GaN の構造特性、物理的特性、製造方法、および応用について包括的な概説を行い、急速に進化する半導体の展望と現在の進歩に焦点を当てます。

2 酸化ガリウム(Ga2O3)

酸化ガリウムは化学式Ga2O3で表される無機化合物である。Eg=4.9eVの広帯域半導体であり、その導電性と発光特性が古くから注目されている。Ga2O3は透明な酸化物半導体材料であり、光電子デバイスへの幅広い応用が期待されている。Ga系半導体材料の絶縁層、UVフィルター、O2化学検出器として使用できる。

図1 酸化ガリウム粉末

2.1 酸化ガリウムの結晶構造

酸化ガリウムの結晶構造には、β-Ga2O3、α-Ga2O3、γ-Ga2O3、δ-Ga2O3、ε-Ga2O3の5種類がある。

β-Ga2O3は単斜晶酸化ガリウムとも呼ばれ、空間群P21(a=12.203、b=5.671、c=6.524、β=105.76)の単斜晶結晶構造を有する。β-Ga2O3はガリウム酸化物ユニットから構成され、高い電子移動度、広い直接エネルギーギャップ、良好な熱安定性などの特徴を持つ。現在、β-Ga2O3は主に高出力半導体デバイスや深紫外光電子デバイスの分野で使用されている。

α-Ga2O3は、正方晶系酸化ガリウムとも呼ばれ、空間群C4V(a=12.22, c=5.86)の正方晶系の結晶構造を持つ。α-Ga2O3は、光透過率が高く、耐食性に優れた光学材料です。オプトエレクトロニクスや光通信などの分野で幅広く応用されている。

γ-Ga2O3は立方晶系酸化ガリウムとも呼ばれ、空間群Ia3(a=13.54)の立方晶系結晶構造を有する。γ-Ga2O3は、高い光透過率、低い欠陥密度、高い透磁率を有しており、磁気光学素子や紫外線検出素子への応用が期待されている。

δ-Ga2O3は斜方晶系酸化ガリウムとしても知られ、空間群Pnma(a=7.794, b=5.580, c=5.395)の斜方晶結晶構造を持つ。δ-Ga2O3は、高いバンドギャップ、優れた光起電力特性、良好な物理化学的安定性を有する材料であり、その応用範囲は広い。

ε-Ga2O3は、三方晶系酸化ガリウムとも呼ばれ、空間群R3c(a=12.170, c=24.812)の三方晶系の結晶構造を有する。ε-Ga2O3は、高いキャリア移動度と高い熱安定性を有する材料であり、良好な紫外線応答特性を有する。現在、ε-Ga2O3は主にUV検出器やパワーエレクトロニクスの分野で使用されている。

表1 Ga2O3の異なる構造の比較

β-Ga2O3

α-Ga2O3

γ-Ga2O3

δ-Ga2O3

ε-Ga2O3

結晶構造

単斜晶系

正方晶系

立方晶系

直交結晶系

三方晶系

空間群

P21

C4V

Ia3

Pnma

R3c

セルパラメーター

a=12.203

b=5.671

c=6.524

β=105.76

a=12.22

c=5.86

a=13.54

a=7.794

b=5.580

c=5.395

a=7.794

b=5.580

c=5.395

特性

高い電子移動度

高い光透過率

高い光透過率

高いバンドギャップ

高いキャリア移動度

広い直接エネルギーギャップ

良好な耐食性

低欠陥密度

優れた光電子特性

材料の高い熱安定性

優れた熱安定性

-

高い透磁率

良好な物理化学的安定性

良好な紫外線応答特性

用途

高出力半導体デバイスおよび深紫外光電子デバイス

オプトエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス通信

磁気光学デバイス、UV検出デバイスへの応用が期待される。

-

紫外線検出器、パワーエレクトロニクス

2.2 酸化ガリウムの物理的・化学的性質

Ga2O3は、フッ素ガスと反応してGaF3を生成することができ、Ga2O3を50%HFに溶解すると生成物GaF3-3H2Oを与える。Ga2O3は、わずかに高温の希硝酸、希塩酸、希硫酸に可溶である。燃焼後のGa2O3は、これらの酸や濃硝酸にも、強塩基の水溶液にも溶けず、NaOH、KOH、KHSO4とK2S2O7を一緒に溶かすことによってのみ溶けるようになる。塩化ガリウムは、250℃で2倍過剰のNH4Clと融解することで生成する。赤熱では、Ga2O3は石英と反応してガラス質体を形成するが、冷却しても新しい化合物は形成されない。また、赤熱で釉薬のかかった磁器るつぼとも反応する。

加熱条件下では、Ga2O3は多くの金属酸化物と反応することができる。アルカリ金属酸化物(400℃以上)と反応して得られるガレート型M(I)GaO2の結晶構造が決定されており、Al2O3やLn2O3と同様にMgO、ZnO、CoO、NiO、CuOと反応してスピネル型M(II)Ga2O4を形成する。3価の金属酸化物との反応生成物であるM(III)GaO3は、通常、カルコサイト型またはガーネット型の構造を持つ(例えば、ランタニドガレートLnGaO3)。より複雑な三元酸化物もあります。ガリウムの混合酸化物は、レーザー、燐光、発光材料として研究されてきた。ガリウム塩の発光特性は酸素空孔に起因すると考えられている。FeGaO3は、興味深い電磁気的特性(すなわち、圧電性と強磁性)を持つため、その合成、安定性、結晶構造が広く研究されてきた。

半導体材料としての酸化ガリウムは、超広帯域の禁制帯を持ち、ブレークダウン電界強度は他の広帯域半導体材料よりもはるかに高い。同じ電圧レベルではオン抵抗が低く、エネルギー損失を低減できる。酸化ガリウム自体の熱伝導率は低いが、封止などにより放熱の問題を解決でき、高電力密度でのデバイスの安定動作に貢献する。また、酸化ガリウムデバイスはより高温での動作が可能であり、過酷な環境にも適応できる。

2.3 酸化ガリウムの準備

1.直接還元法:窒素と金属ガリウムを反応させて窒化ガリウムを得、酸素中で酸化して酸化ガリウムにする方法。この方法は比較的高純度の酸化ガリウムを得ることができるが、工程が複雑で、高温高圧環境が必要で、製造コストが高い。

2.化学蒸着法:混合ガスを反応室に送り込み、高温で化学反応を起こさせることにより、高純度の酸化ガリウムを得る方法である。一般的に使用される反応ガスには、三塩化ガリウム(GaCl3)などがある。

3.酸法: この方法は以下のステップからなる:

  • 酸化:反応器に液状の原料を入れ、アクアレギアを滴下し、撹拌し、温度を80~85℃に制御し、反応時間は8±1時間。
  • 中和:生成したGa(NO3)3とGaCl3溶液を反応ドラムに投入し、アンモニアを加えて撹拌し、pH7-7.5に中和し、水浴の温度を60-70℃に制御する。
  • ろ過を行う:中和反応後の溶液をろ布でろ過し、水酸化ガリウムの沈殿物を得た。
  • 洗浄:水酸化ガリウム沈殿物を高純度水で5〜6回洗浄した後、ろ過する。
  • 乾燥する:洗浄後、水酸化ガリウムを乾燥炉に入れ、水分を乾燥させ、乾燥温度は150℃、乾燥時間は20±2時間である。
  • 焙焼する:乾燥後、水酸化ガリウムを焙焼炉に入れて焙焼脱水し、焙焼温度は600-700℃、焙焼時間は3±0.5時間である。
  • 粉砕する:焙焼後、酸化ガリウムを粉砕機で必要なメッシュに粉砕する。
  • 包装:真空包装して倉庫に入れる。

2.4 酸化ガリウムの応用

1.パワーエレクトロニクス

酸化ガリウムの絶縁破壊電界強度は最大8MV/cmで、他の広帯域半導体材料よりもはるかに高いため、高電圧、高周波、ハイパワーの応用シーンで大きな優位性を発揮します。また、同じ電圧レベルではオン抵抗が低いため、エネルギー損失が低減され、エネルギー変換効率が向上する。酸化ガリウム自体は熱伝導率が低いものの、封止などにより放熱の問題を解決でき、高電力密度でのデバイスの安定動作に貢献する。同時に、酸化ガリウム・デバイスはより高い温度で動作し、過酷な環境にも適応できる。したがって、酸化ガリウムは、電気自動車用モーター駆動システムやスマートグリッド用高電圧直流送電システムなど、パワーエレクトロニクス・デバイスの分野で幅広い応用が期待されている。

2.光電子デバイス

紫外線検出器:酸化ガリウムは、オプトエレクトロニクス分野での応用に大きな可能性を秘めており、高感度で高速応答の高性能紫外線検出器の製造に使用できます。これらの検出器は、大気中のオゾン濃度や水中の有機物含有量の検出など、環境モニタリングや生物医学などの分野で重要な役割を果たしている。

深紫外発光ダイオード(LED):酸化ガリウム材料の特殊なエネルギーバンド構造により、より短波長で高エネルギーの深紫外光を放出することができ、殺菌効果がより大きい。このため、深紫外LEDは、殺菌やフォトリソグラフィなどの半導体製造工程に幅広く応用されている。

図2 SiC、GaN、Ga2O3の用途比較

3.センサー

酸化ガリウム半導体材料は、その特殊な化学的・電気的特性から、センサーの分野で幅広い応用が可能です。湿度センサ、温度センサ、ガスセンサ、圧力センサなど、さまざまな分野のニーズに応えるセンサを作ることができる。

4.その他の用途

上記の分野以外にも、酸化ガリウム半導体材料は様々な分野に応用されています。例えば、フレキシブルディスプレイデバイス、電池材料などである。また、酸化ガリウムは、技術革新とコスト削減の継続的な進展に伴い、レーダーシステム、衛星通信、無線基地局などの高周波分野でも徐々に用途が拡大しています。

3 ガリウムヒ素(GaAs)

ガリウムヒ素は化学式GaAsで表される無機化合物で、融点1,238℃の黒灰色の固体である。600℃以下の空気中に存在し、非酸化性の酸には侵されない。600℃以下の空気中で安定化させることができ、非酸化性の酸には侵されない。ガリウムヒ素は重要な半導体材料である。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導体に属する。格子定数5.65×10-10m、禁制帯幅1.4eV。

3.1 ガリウムヒ素の結晶構造

ガリウム砒素の結晶構造は、立方晶系、面心立方(FCC)構造に属し、Ga原子は面心立方格子の頂点に位置し、As原子は隣接するGa原子の面心位置に位置し、Ga原子とAs原子は共有結合により相互に結合しているため、ガリウム砒素は電子伝導特性を有する。GaAs結晶の格子定数はa=5.6535Åである。

図3 ガリウムヒ素の結晶構造

3.2 ガリウムヒ素の物理的・化学的性質

GaAs は Si よりも優れた電子特性を持つため、250 GHz 以上の帯域で使用することが可能です。等価な GaAs と Si コンポーネントを共に高周波で動作させた場合、GaAs の方がノイズが少ない。また、GaAsはコラプス電圧が高いため、同じSi部品よりも大電力動作に適している。こうした特性から、GaAs回路は携帯電話、衛星通信、マイクロ波ポイント・ツー・ポイント・リンク、レーダー・システムなどに使用できる。GaAsは、マイクロ波を放射するためのギャンダイオード、マイクロ波ダイオード、ゲングダイオードの製造に使用されている。

表2 ガリウムヒ素の物理的性質

密度

5.31g/cm3

融点

1238℃

屈折率

3.57

比誘電率

13.18

電子親和力エネルギー

4.07eV

格子エネルギー

5.65×10-10m

バンドギャップ

1.424e(300K)

電子移動度

8500cm2/(V・s)(300K)

外観

黒灰色の固体

3.3 ガリウムヒ素の調製

1.垂直勾配凝固(Vertical Gradient Solidification:VGF法):GaAsウエハーの主な製造プロセスで、垂直勾配凝固炉で単結晶を成長させることにより、より高品質な結晶を得ることができる。

2.液体封止引き上げ法(LEC):LEC法は、ノンドープの半絶縁GaAs単結晶を成長させる主要なプロセスであり、市場に出回っている半絶縁GaAs単結晶の80%以上がこの方法を用いている。LEC法は、グラファイトヒーターとPBNルツボを使用し、液体封止剤としてB2O3を使用し、2MPaのアルゴン環境下で結晶成長を行います。この方法は、信頼性が高く、良好な半絶縁性を有する結晶が得られるが、薬液注入量の制御が難しく、転位密度が高くなる。

3.水平ブリッジマン法(HB法):かつて半導体GaAs単結晶の量産プロセスとして主流であった方法で、石英ボートと石英管を用いて大気圧で成長させる。HB法は、温度勾配が小さく転位密度が低いという利点があるが、ノンドープの半絶縁性GaAs単結晶の育成が困難であり、結晶界面がD形状となるため、材料の無駄が生じる。

4.化学気相成長法(CVD): ガス状の前駆体を高温で反応させることにより GaAs 薄膜を生成するもので、高品質な GaAs 単結晶を成長させるために最も一般的に用いられる方法の一つである。

3.4 ガリウムヒ素の用途

1.マイクロ波分野: ガリウムヒ素はマイクロ波分野で広く使用されており、主に高電位電界効果トランジスタ(HEMT)、低電圧電界効果トランジスタ(LEMT)、バイポーラトランジスタ、相補型金属-酸化膜-半導体(CMOS)高周波フロントエンド集積回路などの高周波デバイスの製造に使用されている。これらのデバイスは、無線通信やレーダーシステムにおいて重要な役割を果たしている。

2.オプトエレクトロニクス分野: ガリウムヒ素は優れた光電変換材料であり、高速半導体レーザー、エネルギー効率の高い太陽電池、光検出器、光電スイッチの製造に使用されています。直接バンドギャップ特性により、オプトエレクトロニクス分野でのガリウムヒ素は特に顕著で、直接励起状態にジャンプすることができ、LED(発光ダイオード)やVCSEL(垂直共振器面発光レーザー)などのレーザーの製造に適しており、短距離データセンターの光ファイバー通信やTOF顔認識などの技術に広く使用されています。

3.通信分野 通信分野では、GaAs は光ファイバー通信の光受信器、光増幅器光変調器などに広く使用されている。高周波、高電子移動度、低ノイズという特性は、光ファイバー通信に最適です。

4.太陽電池分野: GaAs太陽電池は、高い光電変換効率と安定性を持ち、次世代の高効率太陽電池材料として注目されている。その高い光電変換効率と熱安定性により、太陽電池分野で広く研究され、応用されている。

5.マイクロエレクトロニクス:マイクロエレクトロニクスの分野では、GaAsは高速回路、フラッシュメモリ、パワートランジスタ、平面光アレイ、その他のデバイスに使用されている。電子移動度が高く、バンドギャップが広いため、高速電子デバイスに適している。

4 窒化ガリウム(GaN)

GaN材料の研究と応用は、現在の世界的な半導体研究の最前線とホットスポットであり、マイクロエレクトロニクスデバイス、光電子デバイス、新しい半導体材料の開発であり、SiC、ダイヤモンド、および他の半導体材料と、Ge、Si半導体材料の第一世代、GaAs、InP化合物半導体材料の第三世代の後の第二世代として知られています。広い直接バンドギャップ、強い原子結合、高い熱伝導性、良好な化学的安定性(どんな酸にもほとんど腐食されない)、強い耐照射性などの特性を持ち、オプトエレクトロニクス、高温ハイパワーデバイス、高周波マイクロ波デバイスの用途で幅広い見通しを持っている。

図 4 窒化ガリウム粉末

4.1 窒化ガリウムの結晶構造

窒化ガリウムGaN)は、ガリウム原子と窒素原子の格子からなる結晶構造を持つ半導体材料です。窒化ガリウムの結晶は立方晶系の構造をしており、そのセルは六方最密充填構造の原子配列を含んでいる。

窒化ガリウム結晶の格子構造は、各ガリウム原子が4個の窒素原子に囲まれ、4個のガリウム原子も各窒素原子を取り囲んでいると表現できる。この構造は、ガリウム原子と窒素原子が形成する共有結合とイオン結合が交互に配列した、スファレライト構造またはらせんアルケン構造として知られています。

窒化ガリウムの構造では、窒素原子が周囲のガリウム原子と共有結合を形成し、この共有結合が結晶に安定した構造を与えている。同時に、窒素原子はガリウム原子から電子を受け取り、窒化ガリウム結晶の中でプラスイオンとマイナスイオンを形成する。この共有結合とイオン結合の組み合わせが、窒化ガリウムに優れた電子移動度と光学特性を与えている。

さらに、窒化ガリウム結晶の格子には、シリコンや炭素などの不純物原子が含まれていることが多い。これらの不純物原子のドーピングは、窒化ガリウムの電気的および光学的特性を調整することができ、さまざまな用途に適しています。

図5 窒化ガリウムの結晶構造

4.2 窒化ガリウムの特性

窒化ガリウムは極めて安定な化合物であり、融点は約 1700℃と硬く高融点材料である。GaN はイオン化度が高く、III-V 族化合物の中では最も高い(0.5 または 0.43)。大気圧下では、GaNの結晶は一般に六角形のフィブリル化亜鉛鉱構造を持つ。原子の体積はGaAsの約半分で、4個の原子を持つ。硬度が高いため、これもコーティング保護に適した材料である。

エネルギーギャップと電子構造: 窒化ガリウムはエネルギーギャップが広い(約3.4eV)ため、LEDやレーザーなどの光電子デバイスにとって重要な可視領域で高い透明性を持つ。その直接的なバンドギャップ特性は、電子がジャンプする際にエネルギーと運動量の保存が成り立つことを意味し、光電子デバイスの効率向上に役立つ。GaNの電子構造は、電子移動度とキャリア輸送特性も決定し、デバイスのスピードとパワー特性に重要な影響を与えます。

機械的特性:窒化ガリウムはサファイアに近い高い硬度(モース硬度で約9)を持ち、ある程度の機械的応力や傷に強い。高い弾性率により、窒化ガリウムは弾力性に富み、用途において安定し、ある程度の外圧やひずみに耐えることができる。

熱特性: 窒化ガリウムは熱伝導性に優れ、他の半導体材料と比較して高い熱伝導率を示します。この高い熱伝導率により、窒化ガリウム・デバイスは動作中の熱を効果的に放散し、温度勾配を低減してデバイスの性能と信頼性を向上させます。さらに、窒化ガリウムは熱膨張係数が比較的小さいため、温度変化による寸法変化や変形の影響を受けにくく、デバイスの構造的安定性を維持するのに役立ちます。

光学特性:窒化ガリウムは可視領域において高い透明性と低い吸収係数を持ち、LEDやレーザーなどの光電子デバイスにおいて効率的なエネルギー変換を実現します。窒化ガリウムは屈折率が高いため、効率的な光結合を実現し、オプトエレクトロニクスデバイスの発光効率と出力パワーを向上させます。

化学的安定性:窒化ガリウムは化学的安定性に優れ、酸、アルカリ、溶剤など、多くの一般的な化学的腐食や酸化反応に耐性があります。このため、窒化ガリウムは、高温、高湿度、腐食性ガス環境など、さまざまな過酷な環境条件下でも安定した性能を維持することができます。

電子性能: 窒化ガリウムは、通常数百~数千cm2/(V・s)の優れた電子移動度を有し、高周波およびハイパワーエレクトロニクスにおいて優れた性能を発揮します。窒化ガリウム・デバイスは、その高い電子移動度と高い飽和ドリフト・レートにより、高速・高周波のアプリケーション・シナリオにおいて、低オン抵抗と高速スイッチングを実現します。

4.3 窒化ガリウムの準備

GaN 材料の成長は、TMGa から分解された Ga と NH3 の高温での化学反応によって実現される:

Ga+NH3=GaN+3/2H2

GaNの成長には、一定の成長温度とNH3の分圧が必要である。通常用いられる方法は、従来のMOCVD(APMOCVD、LPMOCVDを含む)、プラズマエンハンストMOCVD(PE-MOCVD)、電子サイクロトロン共鳴アシストMBEである。必要な温度とNH3分圧は順次低下する。研究によると、使用した装置は横型リアクターと特別な設計変更を加えたAP-MOCVDで、ソースプログラム材料として国産の高純度TMGaとNH3、P型ドーピングソースとしてDeZn、高周波インダクタンス加熱を使用した(111)シリコンを基板とする(0001)サファイア、発熱体として低抵抗シリコン、MOソースの搬送ガスとして高純度H2を使用した。成長ゾーンのコンディショニングには高純度N2を用いた。HALL測定、二結晶回折、室温PL分光が、GaNの定性評価として用いられた。

4.4 窒化ガリウムの応用

1.新しい電子デバイス

低発熱で高ブレークダウン電界を持つ GaN 系材料は、高温ハイパワー電子デバイスや高周波 マイクロ波デバイスの開発に重要な材料である。現在、GaN材料の応用におけるMBE技術の進展と主要な薄膜成長技術のブレークスルーにより、様々なGaNヘテロ構造の成長に成功している。金属電界効果トランジスタ(MESFET)、ヘテロ接合電界効果トランジスタ(HFET)、変調ドーピング電界効果トランジスタ(MODFET)などの新しいタイプのデバイスが、GaN材料から作製されている。変調ドープ AlGaN/GaN 構造は、高い電子移動度 (2000cm2/v・s)、高い飽和速度 (1×107cm/s)、低い誘電率を有し、優先材料のマイクロ波デバイスの製造である。GaN の広い禁制帯域幅 (3.4eV) と基板用のサファイアや他の材料は、放熱性能が良好であり、大電力条件でのデバイスの動作を助長する。

2.光電子デバイス

GaN材料シリーズは、短波長発光デバイスの理想的な材料であり、GaNとその合金のバンドギャップは、赤から紫外までのスペクトル範囲をカバーしています。1991年に日本でホモ接合GaN青色LEDが開発されて以来、InGaN/AlGaNデュアルヘテロ接合超高輝度青色LEDやInGaN単一量子井戸GaNLEDが導入されてきた。現在、Zcdおよび6cdの単一量子井戸GaN青色および緑色LEDが量産段階に入り、長年にわたる青色LEDの市場ギャップを埋めている。青色発光デバイスは、高密度光ディスク、全光ディスプレイ、レーザープリンターなどの情報アクセス分野で巨大な応用市場を持つ。Ⅲ窒化物材料とデバイスの研究開発作業が深化を続ける中、GaInN超高輝度青色と緑色LED技術が実用化され、現在、世界の主要企業と研究機関は青色LED開発競争の仲間入りをするために多額の投資を行っている。

3.センサー

窒化ガリウムは、高精度で高感度な圧力センサーの材料として使用できる。窒化ガリウムの電気的特性は、外部から圧力が加わると変化し、抵抗、静電容量、電界効果などのパラメータを測定することで圧力を測定することができる。窒化ガリウム材料の熱特性は、高温センサーの製造に適しています。窒化ガリウムは高温環境下での安定性と熱伝導性に優れており、自動車用エンジン温度センサーや高温プロセス監視センサーなどの高温センサーの製造に使用できます。また、ガスセンサの製造にも使用できます。窒化ガリウムの表面は化学的不活性に優れ、多くのガスと特定の化学反応を起こすことができるため、その表面化学特性を利用して、窒素酸化物、アンモニアなどの特定のガスの濃度を検出することができます。窒化ガリウムの優れた光学特性により、光センサーに応用することで、光の強度、波長、方向などのパラメーターを高精度に測定することができる。また、窒化ガリウム材料の表面で生体分子を特異的に修飾することにより、DNA、タンパク質、細胞などの生体分子の高感度・高選択的な検出が実現できます。

図6 窒化ガリウムの応用例

5 まとめ

Ga2O3、GaAs、GaN などのガリウム系化合物は、その優れた電気的、光学的、熱的特性により、現代半導体技術の要となっている。Ga2O3は、その超広帯域バンドギャップと高ブレークダウン電界により、高出力・高電圧アプリケーションに優れており、GaAsは、その高い電子移動度とダイレクトバンドギャップにより、高速デバイスや光電子デバイスの主要材料であり続けている。同時にGaNは、その堅牢性、効率、広い動作範囲により、パワーエレクトロニクスや高周波通信システムを一変させました。

化学気相成長法、分子線エピタキシー法、その他のテーラーメイド製造法などの高度な合成技術の開発により、材料品質の精密な制御が可能になり、産業界全体に革新的なアプリケーションへの道が開かれました。電力変換や紫外線検出から5G通信や再生可能エネルギーシステムに至るまで、ガリウム化合物は技術の進歩を牽引し、エネルギー効率に優れた高性能デバイスに対する需要の高まりに対応している。

研究開発が進むにつれ、これらの材料は、材料工学や新興技術との統合を通じて、熱管理やスケーラビリティといった既存の課題を克服することが期待されます。ガリウム系化合物は、エレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、そしてそれ以外の分野においても、将来の進歩を支える技術革新の最前線にあり続けるでしょう。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)は、高品質のゲルマニウム材料の主要な供給者であり、信頼性の高い材料ソリューションでこれらの重要なアプリケーションをサポートしています。

さらに読む

必須電子材料:パート1 - シリコン

必須電子材料:Part 2 - 炭化ケイ素

必須電子材料第3回 ゲルマニウム

著者について

Chin Trento

イリノイ大学で応用化学の学士号を取得。彼の学歴は、多くのトピックにアプローチするための幅広い基盤となっている。スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ(SAM)で4年以上にわたり先端材料の執筆に携わる。彼がこれらの記事を書く主な目的は、読者に無料で、しかも質の高いリソースを提供することである。誤字、脱字、見解の相違など、読者からのフィードバックを歓迎する。

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