Il nitruro di gallio è il composto covalente binario formato da gallio e azoto in uguale proporzione, la cui formula minima è quindi GaN, o anche GaIIIN−III. Fu ottenuto per la prima volta nel 1932 dalla reazione del gallio metallico con l'ammoniaca a 1000 °C.

È un composto non molecolare, nel cui reticolo cristallino sia il gallio che l'azoto sono entrambi tetracoordinati e tetraedrici.

Il nitruro di gallio è un tipico semiconduttore del tipo III-V. È un materiale molto duro (~8,5 su scala Mohs) avente una struttura cubica del tipo della wurtzite (ZnS). L'ampiezza del suo band-gap (3,47 eV) lo rende utile in speciali applicazioni di optoelettronica, compresi i dispositivi di potenza o di alta frequenza; viene impiegato per ottenere diodi LED nel blu; inoltre, rende possibili i laser nel violetto (405 nm) senza dover ricorrere al raddoppiamento di frequenza e quindi senza dover impiegare ottiche non lineari.

Caratteristiche Il nitruro di gallio, che si può ottenere come cristalli incolori, è un composto termodinamicamente alquanto stabile, ΔHƒ° = -111 kJ/mol, sebbene molto meno rispetto all'analogo nitruro di alluminio AlN (-318,0 kJ/mol).

Il nitruro di gallio GaN è formato dall'unione 1:1 del gallio, avente 3 elettroni esterni (4s2 4p1), con l'azoto, avente 5 elettroni esterni (2s2 2p3), a dare un cristallo in cui vi sono 8 elettroni di valenza per ogni atomo Ga o N, come accade anche per i reticoli cristallini del nitruro di boro (BN), del nitruro di alluminio (AlN), come pure del silicio (Si) o del diamante (C), che sono tuuti isoelettronici di valenza.

GaN è un semiconduttore che cristallizza nel sistema esagonale in una struttura del tipo della wurtzite (w-GaN), che è la sua forma più stabile. In particolari condizioni è possibile però far crescere epitassialmente GaN su un substrato con reticolo cristallino cubico basato su quello della sfalerite (o blenda di zinco), dando luogo alla forma cubica c-GaN. Questa forma cristallina, pur essendo più difficile da ottenere, presenta dei vantaggi nelle prestazioni dei dispositivi.

GaN può essere drogato di tipo p con atomi di magnesio (1 e in meno di Ga) e di tipo n con atomi di silicio (1 e in più di Ga) o con atomi di ossigeno (1 e in più di N). Tuttavia il drogaggio con il magnesio o con il silicio introduce nella struttura cristallina tensioni che rendono il materiale fragile.

Come i semiconduttori analoghi BN e AlN del tipo III-V, il GaN ha un band-gap diretto, che lo rende utilizzabile per la realizzazione di laser e LED nel blu. In questo materiale l'energia di legame degli eccitoni misurata sperimentalmente varia tra i 18 ed i 28 meV. Il fondo della banda di conduzione è ben approssimato da una relazione di dispersione di tipo parabolico, il fondo delle valli adiacenti si trova invece ad energie maggiori di almeno 2 eV. Il GaN nella forma della wurtzite ha un band-gap diretto pari a 3,47 eV alla temperatura di 0 K, che corrisponde otticamente al violetto prossimo, al confine con l'ultravioletto; per confronto, il band-gap del nitruro di alluminio (6,015 eV) è poco meno del doppio e corrisponde otticamente al confine tra medio e lontano ultravioletto (UV-C).

Per descrivere la struttura a bande del GaN sotto deformazione (strain), sono necessari sei potenziali di deformazione, più il tensore di strain ed il potenziale di deformazione idrostatica totale. G. B. Ren, Y. M. Liu e P. Blood[Appl. Phys. Lett 74, 1117 (1999)] hanno proposto un insieme di parametri che modellano correttamente il calcolo della struttura a bande; per quanto riguarda invece il calcolo delle costanti elastiche, la teoria si allinea ai risultati di A. Polian, M. Grimsditch e I. Grzegory;[J. Appl. Phys. 79, 3343 (1996)] i coefficienti piezoelettrici utilizzati di norma sono invece calcolati da una media tra i lavori sperimentali di Bykhovki, Lueng e Shimada e quelli teorici di Bernardini e Fiorentini.

Utilizzi I transistor GaN possono lavorare a temperature e tensioni molto più elevate rispetto ai transistor basati sull'arseniuro di gallio (GaAs), cosa che li rende ideali per realizzare amplificatori di potenza nelle frequenze del microonde.

Si sta sperimentando anche l'uso di GaN nelle apparecchiature per produrre radiazioni elettromagnetiche nella banda dei THz.

Grazie all'elevata densità di potenza e alta tensione di rottura del dielettrico, GaN sta emergendo come candidato per l'elettronica delle celle 5G.

A partire dal 2020, i transistor di potenza GaN stanno prendendo piede come componenti di scelta negli alimentatori per l'elettronica, per la conversione della corrente alternata di distribuzione in corrente continua a bassa tensione.

Note

Voci correlate

Nitruri Nitruro di boro Nitruro di alluminio

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