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窒化ガリウム（GaN ）は、 1990年代から青色発光ダイオードに一般的に使用されている、 III / V族の直接バンドギャップ半導体です。この化合物はウルツ鉱型結晶構造を持つ非常に硬い材料です。3.4 eVの広いバンドギャップにより、光電子工学[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]の高出力および高周波デバイスへの応用において特別な特性を発揮します。例えば、GaNは、非線形光学周波数倍増を必要とせずに紫色（405 nm）レーザーダイオードを可能にする基板です。
電離放射線に対する感度が低い（他のIII族窒化物と同様）ため、衛星用太陽電池アレイに適した材料である。高放射線環境下でデバイスが安定性を示していることから、軍事および宇宙用途にも恩恵を受ける可能性がある。[ 13 ]
GaNトランジスタはガリウムヒ素（GaAs）トランジスタよりもはるかに高い温度で動作し、はるかに高い電圧で動作できるため、マイクロ波周波数帯で理想的なパワーアンプとなります。さらに、GaNはTHzデバイスにも有望な特性を提供します。[ 14 ]高い電力密度と耐電圧限界により、GaNは5Gセルラー基地局アプリケーションにも有望な候補として浮上しています。2020年代初頭から、GaNパワートランジスタは、小型、高速スイッチング速度、高効率のため、電子機器の電源、交流主電源を低電圧直流に変換する用途、および電気自動車のトラクションインバータなどの高電圧アプリケーションでますます使用されるようになっています。[ 15 ]
GaN は非常に硬く (ヌープ硬度14.21 GPa [ 16 ] : 4 )、機械的に安定しており、高い比熱容量と熱伝導率を持つワイドバンドギャップ半導体材料です。[ 17 ]純粋な状態では、格子定数の不一致にもかかわらず、亀裂に強く、サファイアや炭化ケイ素上に薄膜として堆積できます。[ 17 ] GaN は、 n 型にするためにシリコン(Si) または酸素[ 18 ]を、 p 型にするためにマグネシウム (Mg)をドープすることができます。[ 19 ] [ 20 ]しかし、Si 原子と Mg 原子は GaN 結晶の成長方法を変え、引張応力を導入して脆くします。[ 21 ]窒化ガリウム化合物は、1 平方センチメートルあたり 10 8～ 10 10 個の欠陥という高い転位密度を持つ傾向があります。[ 22 ]
米国陸軍研究所（ARL）は1999年にGaNにおける高電界電子速度の最初の測定を行った。[ 23 ] ARLの科学者たちは実験的にピーク定常速度を取得した。 電界強度225 kV/cmにおいて、移動速度1.9 × 10⁷ cm /s、通過時間2.5ピコ秒を達成した。この情報に基づいて電子移動度を計算し、GaNデバイスの設計に必要なデータを得た。
窒化ガリウムの最も初期の合成の一つは、1932年にジョージ・ハーバート・ジョーンズ研究所で行われた。[ 24 ]
窒化ガリウムの初期の合成は、1938年にロバート・ジュザとハリー・ハーンによって行われた。[ 25 ]
低温でバッファ層を堆積することで、結晶品質の高いGaNが得られる。[ 26 ]このような高品質のGaNは、p型GaN [ 19 ] 、 p-n接合青色/UV LED [ 19 ]、室温誘導放出[ 27 ]（レーザー動作に不可欠）[ 28 ]の発見につながった。これにより、高性能青色LEDや長寿命紫色レーザーダイオードの商業化、UV検出器や高速電界効果トランジスタなどの窒化物ベースのデバイスの開発につながった。
高輝度 GaN 発光ダイオード (LED) は、原色の範囲を完成させ、昼光下で視認できるフルカラー LED ディスプレイ、白色 LED、青色レーザーデバイスなどのアプリケーションを可能にしました。最初の GaN ベースの高輝度 LED は、サファイア上に有機金属気相エピタキシー(MOVPE)で堆積された GaN の薄膜を使用しました。その他の基板としては、格子定数の不整合がわずか 2% の酸化亜鉛と炭化ケイ素(SiC) があります。[ 29 ]一般的に、III 族窒化物半導体は、可視短波長および UV 領域で光デバイスを製造するための最も有望な半導体ファミリーの 1 つとして認識されています。
GaN の非常に高い破壊電圧[ 30 ]、高い電子移動度、および高い飽和速度により、高出力および高温のマイクロ波アプリケーションに理想的な候補となっています。これは、その高いジョンソンの性能指数によって証明されています。 GaN に基づく高出力/高周波デバイスの潜在的な市場には、マイクロ波無線周波数電力増幅器(高速無線データ伝送で使用されるものなど) や電力網用の高電圧スイッチングデバイスが含まれます。 GaN ベースの RFトランジスタの潜在的なマスマーケットアプリケーションは、現在使用されているマグネトロンに代わる電子レンジのマイクロ波源です。 大きなバンドギャップにより、GaN トランジスタの性能はシリコン トランジスタ (約 150 °C [ 31 ] ) よりも高い温度 (約 400 °C [ 31 ]まで維持されます。これは、あらゆる半導体に固有の電荷キャリアの熱生成の影響を軽減するためです。最初の窒化ガリウム金属半導体電界効果トランジスタ（GaN MESFET）は1993年に実験的に実証され[ 32 ]、現在も活発に開発が進められている。
2010 年、最初のエンハンスメントモードGaN トランジスタが一般に利用可能になりました。[ 33 ]利用可能だったのは n チャネル トランジスタのみでした。[ 33 ]これらのデバイスは、スイッチング速度や電力変換効率が重要なアプリケーションでパワー MOSFET を置き換えるように設計されました。これらのトランジスタは、標準的なシリコン ウェーハの上に GaN の薄い層を成長させることで作られ、メーカーはこれを GaN-on-Siと呼ぶことがよくあります。 [ 34 ]これにより、FET はシリコン パワー MOSFET と同様のコストを維持しながら GaN の優れた電気的性能を実現でき、MOCVD エピタキシーを使用してシリコン ウェーハ上に GaN を成長させることで構成されています。[ 35 ]エンハンスメントモード GaN チャネル HFET を実現するためのもう 1 つの実行可能な解決策は、GaN に対して許容できるほど低い自発分極ミスマッチを持つ格子整合した 4 元 AlInGaN 層を使用することです。[ 36 ]
電力用途向けには、GaN HEMT は、ディスクリート、カスコード、ICeGaN [ 37 ]、統合ゲート駆動 [ 38 ] など、さまざまなレベルの統合が可能です。GaN ICは、GaN FET、GaN ベースの駆動回路、回路保護を単一の表面実装デバイスにモノリシックに統合します。[ 39 ] [ 40 ] 統合により、ゲート駆動ループのインピーダンスは実質的にゼロになり、FET のターンオフ損失をほぼ完全に排除することで効率がさらに向上します。 低電圧 GaN パワー IC の作成に関する学術研究は香港科技大学 (HKUST) で始まり、最初のデバイスは 2015 年に実証されました。商用 GaN パワー IC の生産は 2018 年に開始されました。
2016年には、ゲート長0.5μm（PMOSおよびNMOSトランジスタのゲート幅はそれぞれ500μmおよび50μm）のPMOSおよびNMOSトランジスタを使用した最初のGaN CMOSロジックが報告された。 [ 41 ]
GaNベースの紫色レーザーダイオードは、 Blu-ray Discの読み取りに使用されます。GaNとIn（InGaN）またはAl（AlGaN ）の混合物は、InまたはAlとGaの比率に応じてバンドギャップが変化するため、赤色から紫外線までの色を持つ発光ダイオード（LED ）の製造が可能になります。 [ 29 ]
GaNトランジスタは、高周波、高電圧、高温、高効率の用途に適しています。[ 42 ] [ 43 ] GaNは電流を効率的に伝達するため、最終的には熱として失われるエネルギーが少なくなります。[ 44 ]
GaN高電子移動度トランジスタ（HEMT）は2006年から市販されており、その高い効率と高電圧動作により、さまざまな無線インフラ用途ですぐに利用されるようになった。ゲート長が短い第2世代のデバイスは、より高周波の通信および航空宇宙用途に対応する予定である。[ 45 ]
GaNベースの金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）および金属半導体電界効果トランジスタ（MESFET）は、特に自動車や電気自動車用途において、高出力電子機器での損失が低いなどの利点も提供する。[ 46 ] 2008年以降、これらはシリコン基板上に形成できるようになった。[ 46 ]高電圧（800V ）ショットキーバリアダイオード（SBD）も製造されている。[ 46 ]
GaN集積型電源管理ICは、効率が高く電力密度も高いため、携帯電話やノートパソコンの充電器、家電製品、コンピューター機器、電気自動車などの用途において、サイズ、重量、部品点数を削減することが可能です。
GaNベースの電子機器（純粋なGaNではない）は、消費者向け用途だけでなく、送電事業においても、エネルギー消費量を大幅に削減できる可能性を秘めている。
電力サージによってオフになるシリコントランジスタとは異なり、GaNトランジスタは通常、空乏モードデバイスです（つまり、ゲート・ソース電圧がゼロのときにオン/抵抗状態になります）。電力エレクトロニクスでの使用に必要なノーマリーオフ（またはEモード）動作を実現するために、いくつかの方法が提案されています。[ 47 ] [ 48 ]
GaN技術は、アクティブ電子走査アレイレーダーなどの軍事電子機器にも利用されている。[ 49 ]
タレスグループは2010年にGaN技術を利用したGround Master 400レーダーを発表しました。2021年には、タレスはレーダーシステムに5万個以上のGaN送信機を稼働させました。[ 50 ]
米陸軍は、AN/TPQ-36とAN/TPQ-37という2つの中距離レーダーシステムを置き換えるために、AN/TPQ-53レーダーシステムにGaNアクティブデバイス技術を組み込むようロッキード・マーティンに資金を提供した。[ 51 ] [ 52 ] AN/TPQ-53レーダーシステムは、無人航空システムだけでなく、敵の間接射撃システムを探知、分類、追跡、位置特定するように設計された。[ 53 ] AN/TPQ-53レーダーシステムは、AN/TPQ-36およびAN/TPQ-37システムと比較して、性能の向上、機動性の向上、信頼性とサポート性の向上、ライフサイクルコストの低減、乗員数の削減を実現した。[ 51 ]
ロッキード・マーティンは2018年に、ラトビアとルーマニアに配備されたTPS-77多目的レーダーシステムを含む、GaN技術を使用した他の戦術運用レーダーを配備した。[ 54 ] 2019年には、ロッキード・マーティンのパートナーであるELTA Systems Limitedが、航空機や弾道目標を探知および追跡し、ミサイル迎撃や防空砲兵のための射撃管制誘導を提供するGaNベースのELM-2084多目的レーダーを開発した。
2020年4月8日、サーブはJAS-39グリペン戦闘機で新型GaN設計AESA Xバンドレーダーの飛行試験を実施した。[ 55 ]サーブは既に、 Giraffeレーダー、Erieye、GlobalEye、Arexis EWなど、GaNベースのレーダーを搭載した製品を提供している。 [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ] [ 59 ]また、サーブはAN/TPS-80（G/ATOR）[ 60 ]向けの主要サブシステム、アセンブリ、ソフトウェアも提供している。
インドの防衛研究開発機構は、 GaN技術に基づいてSukhoi Su-30MKI用のVirupaakhshaレーダーを開発している。このレーダーは、 GaAs技術を採用したHAL Tejas用のUttam AESAレーダーのさらなる発展形である。[ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]
トルコのAselsan社は、2024年5月にトルコ軍に初のGaNベースのAESAレーダーであるALP 300-Gを納入した。 [ 64 ]
GaNナノチューブとナノワイヤは、ナノスケールエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、生化学センシング用途への応用が提案されている。 [ 65 ] [ 66 ]
GaN結晶は、 750 ℃で100気圧の窒素雰囲気下に保持された溶融Na/Gaから成長させることができる。Gaは1000℃以下では窒素と反応しないため、粉末はより反応性の高い物質から作られる必要があり、通常は以下のいずれかの方法で作られる。
窒化ガリウムは、溶融ガリウムにアンモニアガスを注入することによっても合成できる。 常圧下で900～980 ℃ 。 [ 69 ]
青色、白色、紫外線LEDは、有機金属気相エピタキシー（MOVPE）法によって工業規模で成長される。[ 70 ] [ 71 ]前駆体はアンモニアとトリメチルガリウムまたはトリエチルガリウムであり、キャリアガスは窒素または水素である。成長温度は、800℃および1100 ℃ 。量子井戸やその他の種類のヘテロ構造を成長させるには、トリメチルアルミニウムおよび／またはトリメチルインジウムの導入が必要である。
商業的には、GaN結晶は分子線エピタキシー（MBE）を用いて成長させることができる。GaNのMBE成長は、アンモニアMBE（NH₃-MBE）とプラズマアシストMBE（PA-MBE）の2つのカテゴリに分類できる。NH₃ -MBEでは、窒素源としてNH₃が使用されるが、PA-MBEでは窒素RFプラズマが使用される。[ 72 ]このプロセスは、転位密度を低減するためにさらに改良することができる。まず、成長表面にイオンビームを照射してナノスケールの粗さを作り出す。次に、表面を研磨する。このプロセスは真空中で行われる。研磨方法は通常、液体電解質とUV照射を用いて、ウェーハから薄い酸化膜を機械的に除去する。最近では、溶媒を含まず、研磨前に放射線を必要としない固体ポリマー電解質を利用する方法が開発されている。 [ 73 ]
GaN粉塵は皮膚、目、肺に刺激を与える。窒化ガリウム源（トリメチルガリウムやアンモニアなど）の環境、健康、安全面、およびMOVPE源の産業衛生モニタリング研究については、2004年のレビューで報告されている。[ 74 ]
バルクGaNは無毒で生体適合性がある。[ 75 ]そのため、生体内のインプラントの電極や電子機器に使用できる可能性がある。
これらのデバイスは、電力変換時の損失が少なく、従来のシリコン製デバイスを上回る動作特性を備えています。