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{{Infobox Chemikalie
| Strukturformel = [[Datei:Wurtzite polyhedra.png|200px|Struktur von Galliumnitrid]]
| Kristallstruktur = Ja
| Strukturhinweis = {{Farbe |#C0C0C0 |Kreis=1}} Ga3+ {{0}} {{Farbe |#EEEE00 |Kreis=1}} N3−
| Andere Namen =
| Summenformel = GaN
| CAS = {{CASRN|25617-97-4}}
| EG-Nummer = 247-129-0
| ECHA-ID = 100.042.830
| PubChem = 117559
| ChemSpider =
| Beschreibung = gelber, geruchloser Feststoff<ref name="alfa" />
| Molare Masse = 83,72 g·[[mol]]−1
| Aggregat = fest
| Dichte = 6,1 g·cm−3<ref name="alfa">{{Alfa|40218|Abruf=2010-01-29}}</ref>
| Schmelzpunkt =
| Siedepunkt =
| Sublimationspunkt =
| Dampfdruck =
| Löslichkeit = nahezu unlöslich in Wasser<ref name="alfa" />
| Quelle GHS-Kz = <ref name="Sigma">{{Sigma-Aldrich|ALDRICH|481769|Name=Gallium nitride|Abruf=2011-04-02}}</ref>
| GHS-Piktogramme = {{GHS-Piktogramme|07}}
| GHS-Signalwort = Achtung
| H = {{H-Sätze|317}}
| EUH = {{EUH-Sätze|-}}
| P = {{P-Sätze|280}}
| Quelle P = <ref name="Sigma" />
}}

'''Galliumnitrid''' ('''GaN''') ist ein aus [[Gallium]] und [[Stickstoff]] bestehender [[III-V-Halbleiter]] mit [[Halbleiter mit breitem Bandabstand|großem Bandabstand]] (wide bandgap), der in der [[Optoelektronik]] insbesondere für blaue und grüne [[Leuchtdiode]]n (LED) und als Legierungsbestandteil bei [[High-electron-mobility transistor|High-electron-mobility-Transistoren]] (HEMT), einer Bauform eines [[Sperrschicht-Feldeffekttransistor]]s (JFET), Verwendung findet. Darüber hinaus ist das Material für verschiedene [[Sensorik (Technik)|Sensorikanwendungen]] geeignet.

== Geschichte ==
Das Material wurde um 1930 zum ersten Mal synthetisiert und 1969 von Maruska und Tietjen erstmals mittels [[Hydridgasphasenepitaxie]] [[epitaktisch]] als Schicht aufgewachsen.<ref>{{Literatur |Autor=H. P. Maruska, J. J. Tietjen |Titel=Paramagnetic defects in GaN |Sammelwerk=[[Appl. Phys. Lett.]] |Band=15 |Datum=1969 |Seiten=327 |Kommentar=freier Volltext |DOI=10.1557/S1092578300001174}}</ref> 1971 gelang Manasevit, Erdmann und Simpson zum ersten Mal über [[metallorganische chemische Gasphasenabscheidung]] ({{enS|metal-organic chemical vapour deposition}}, MOCVD) das Wachstum von GaN, was als wichtiger Schritt in der weiteren Entwicklung gelten kann.<ref>{{Literatur |Autor=H. M. Manasevit, F. M. Erdmann, W. I. Simpson |Titel=The use of metalorganics in the preparation of semiconductor materials. IV. The nitrides of aluminum and gallium |Sammelwerk=J. Electrochem. Soc |Band=118 |Nummer=11 |Datum=1971 |Seiten=1864–1868 |DOI=10.1149/1.2407853}}</ref><ref name="HiS199">{{Literatur |Autor=Norbert H. Nickel, Robert K. Willardson, [[Eicke R. Weber]] |Titel=Hydrogen in Semiconductors II |Sammelwerk=Semiconductors & Semimetals |Band=61 |Verlag=Academic Pr. Inc. |Datum=1999 |ISBN=0-12-752170-4 |Online={{Google Buch |BuchID=fa9SM03XchUC |Seite=479}}}}</ref>

== Eigenschaften ==
GaN kristallisiert vorzugsweise in der ([[Hexagonales Kristallsystem|hexagonalen]]) [[Wurtzit-Struktur]], die [[Kubisches Kristallsystem|kubische]] [[Zinkblende-Struktur]] ist nicht stabil.

{| class="wikitable centered"
|- class="hintergrundfarbe6"
!Eigenschaft
!Wert
|-
|[[Kristallsystem]] || hexagonal (kubisch)
|-
|[[Farbe]] ||farblos, weiß, grau, gelb
|-
|[[Glanz]] || Glasglanz
|-
|[[Opazität]] || durchsichtig bis undurchsichtig
|-
|[[Spaltbarkeit]] || gut
|-
|häufige [[Kristallorientierung]] von Substraten|| (0001), {1-101}
|-
|[[Brechungsindex]] || ca. 2,5 bei 400 [[Nanometer|nm]]
|-
|[[Kristallstruktur]] ||[[Wurtzit-Struktur]] (stabil), [[Zinkblende-Struktur]], [[Steinsalz]]-Struktur (Hochdruckphase)
|-
|[[Gitterkonstante]] || Wurtzit: ''c'' = 0,5185 nm, ''a'' = 0,3189 nm; Zinkblende: ''a'' = 0,452 nm
|-
|[[Bandlücke|Bandabstand]] ||Wurtzit: 3,44 [[Elektronenvolt|eV]] bei Raumtemperatur und 3,50 eV bei T = 10 K; Zinkblende: 3,2 eV
|}

Die Verbindung wird von heißer konzentrierter [[Schwefelsäure]] und heißer konzentrierter [[Natronlauge]] langsam gelöst, nicht dagegen von konzentrierter [[Salzsäure]], [[Salpetersäure]] und [[Königswasser]]. Sie ist luftbeständig und zersetzt sich, abhängig von angelegter Atmosphäre, Temperatur und Druck bei erhöhten Temperaturen zu molekularem Stickstoff und Gallium. Ohne spezielle Gegenmaßnahmen beginnt diese Zersetzung an der Luft ab ca. 600 °C.<ref>{{Literatur |Autor=Sergey L. Rumyantsev, Michael S. Shur, Michael E. Levinshtein |Titel=Materials properties of nitrides: summary |Sammelwerk=[[International Journal of High Speed Electronics and Systems]] |Band=14 |Nummer=1 |Datum=2004 |Seiten=1–19 |Online=https://www.ecse.rpi.edu/Homepages/shur/NitrideParametersIJHSES2004.pdf |Format=PDF |KBytes= |DOI=10.1142/S012915640400220X}}</ref>

== Herstellung ==
[[Datei:GaNcrystal.jpg|mini|links|Galliumnitrid-Einkristall, ca. 3 mm lang]]

Das Hauptproblem in der Herstellung von GaN-basierten Bauelementen lag und liegt an der Schwierigkeit, aus GaN große [[Einkristall]]e herzustellen, um daraus hochwertige GaN-[[Wafer]] zu fertigen. Deshalb muss noch immer auf Fremdsubstrate ausgewichen werden, wobei hauptsächlich Saphir und SiC Verwendung finden. Die Qualität der (heteroepitaktischen) Schichten auf Fremd[[Substrat (Materialwissenschaft)|substraten]] wurde durch die Arbeiten der Gruppe von [[Isamu Akasaki|Akasaki]] und von [[Hiroshi Amano|Amano]] Ende der 1980er Jahre sehr vorangetrieben. Eine weitere Herausforderung stellt die p-Dotierung des Halbleitermaterials dar, die für fast alle optoelektronischen Bauelemente notwendig ist. Sie gelang erstmals der Gruppe um Akasaki im Jahre 1988, dann 1992 auch [[Shuji Nakamura]] mit einem modifizierten Ansatz.<ref name="HiS199" />

GaN-Einkristalle werden heute vorwiegend mittels [[Hydridgasphasenepitaxie]] (engl. {{lang|en|hydride vapor phase epitaxy}}) hergestellt, das weltweit von einer Handvoll Firmen technologisch vorangetrieben wird. Dabei reagiert zunächst gasförmiger [[Chlorwasserstoff]] mit flüssigem, ca. 880 °C heißem [[Gallium]] zu [[Galliumchlorid]]. In einer Reaktionszone wird das Galliumchlorid bei Temperaturen zwischen 1000 und 1100 °C in die Nähe eines GaN-Kristallkeims gebracht. Hier reagiert das Galliumchlorid mit einströmendem [[Ammoniak]] unter Freisetzung von Chlorwasserstoff zu kristallinem Galliumnitrid. Unter optimalen Bedingungen können mit dem HVPE-Verfahren mittlerweile Kristalle bis zu 50 mm Durchmesser und mit Dicken von einigen Millimetern hergestellt werden.

Im Labor wird Galliumnitrid durch Reaktion von Gallium mit [[Ammoniak]] bei 1100 °C hergestellt.<ref name="brauer">{{BibISBN|3432023286|Seiten=861}}</ref>
:<math>\mathrm{2 \ Ga + 2 \ NH_3 \longrightarrow 2 \ GaN + 3 H_2}</math>

oder durch [[Ammonolyse]] von [[Ammoniumhexafluorogallat]] bei 900 °C<ref name="brauer" /> hergestellt:
:<math>\mathrm{(NH_4 )_3 GaF_6 + 4 \ NH_3 \longrightarrow GaN + 6 \ NH_4 F}</math>
Eine weitere Syntheseroute nutzt flüssiges [[Natrium]] als Flussmittel und [[Natriumazid]] als Stickstofflieferant, wodurch die Reaktionstemperatur auf 600-800 °C reduziert werden kann.<ref>{{Literatur |Autor=Hisanori Yamane, Masahiko Shimada, Simon J. Clarke, Francis J. DiSalvo |Titel=Preparation of GaN Single Crystals Using a Na Flux |Sammelwerk=Chemistry of Materials |Band=9 |Nummer=2 |Datum=1997-02-01 |DOI=10.1021/cm960494s |Seiten=413–416 }}</ref>

:<math>\mathrm{3 \ Ga + \ NaN _3 \longrightarrow 3 \ GaN + Na}</math>

Gallium wird meist als Nebenprodukt bei der Aluminiumherstellung aus Bauxit-Erz gewonnen. Ca. 98 % des Roh-Galliums stammen aus China.<ref name="UNU">{{Internetquelle |autor=Jorge Valverde-Carbonell |url=https://unu.edu/merit/article/china-has-banned-us-exports-key-minerals-computer-chips-leaving-washington-limited |titel=China Has Banned US Exports of Key Minerals for Computer Chips – Leaving Washington with Limited Options |hrsg=[[Universität der Vereinten Nationen|UNU Merit]], Maastricht |datum=2024-12-23 |sprache=en |abruf=2025-05-11}}</ref> Im Laufe des [[Handelsstreit|Handelskonflikts]] zwischen den USA und China stellte China 2024 die Gallium-Lieferungen an die USA ein.<ref name="UNU" />

== Einsatzgebiete ==
[[Datei:FBH GaN High electron mobility transistor.jpg|mini|GaN [[High-electron-mobility transistor]] aus dem [[Ferdinand-Braun-Institut]]]]

Die Möglichkeit, mit Hydridgasphasenepitaxie GaN-Kristalle hoher Qualität zu fertigen, führte in den 1990er Jahren zu den ersten kommerziellen, blauen [[LED]]s (1993, [[Nichia]]), sowie später den ersten blauen [[Halbleiterlaser]] (1997, Nichia). Bis dahin basierten blaue LEDs auf dem Material [[Siliciumcarbid]], das als indirekter [[Halbleiter]] für eine effiziente Lichtemission schlecht geeignet ist. Mit einem höheren Indium-Anteil in der aktiven Zone der GaInN-Quanten-Filme ist auch grüne und gelbe Lichtemission möglich. Die Effizienz derartiger LEDs sinkt aber mit zunehmendem Indium-Gehalt.

Neben dem Fremdsubstrat [[Saphir]] lässt sich heutzutage GaN auch auf [[Siliciumcarbid]] (SiC) und auf [[Silicium]] (Si) herstellen.<ref>{{Internetquelle |autor=David Manners |url=http://www.electronicsweekly.com/news/products/power-supplies/dialogue-enters-gan-market-2016-08/ |titel=Dialog enters GaN market |titelerg=Dialog will start sampling GaN power ICs in Q4 with a fast charging power adapter made on TSMC’s 650-volt GaN-on-Silicon process technology |hrsg=Electronics Weekly |datum=2016-08-30 |sprache=en |abruf=2016-09-02}}</ref> Rein technisch gesehen ist GaN auf SiC, durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des SiC, vorteilhaft für Anwendung im Bereich der [[Leistungselektronik]]. Im Vergleich zu Silicium sind die Substratkosten für Siliciumcarbid jedoch deutlich höher (etwa 1000 USD pro 4-Zoll-Wafer).

Erste Prototypen von [[Feldeffekttransistor]]en auf Basis von Galliumnitrid mit Betriebsspannung bis 600 V konnten im Jahr 2012 in [[Schaltnetzteil]]en und Stromversorgungen eingesetzt werden. Sie erlauben höhere Schaltfrequenzen und erzielen im Netzteil einen höheren [[Wirkungsgrad]] als die üblicherweise in diesem Bereich eingesetzten und kostengünstigeren Feldeffekttransistoren auf Siliciumbasis.<ref>{{IDW-online | ID=505692 | Titel=Kleiner, leichter und effizienter mit Galliumnitrid-Bauelementen | Autor=Karin Schneider | Institution=Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE | Datum=7. November 2012 |Abruf=2015-08-23}}</ref> Für leistungsfähige [[Endstufe|Hochfrequenzverstärker]], wie sie für die [[Basisstation]]en und die Infrastruktur der [[Mobilfunknetz]]e benötigt werden, eignet sich GaN besonders gut, da hohe Frequenzen bei großer Leistung verarbeitet werden können.<ref name="Yole">{{Internetquelle |autor=Richard Wilson |url=https://www.electronicsweekly.com/news/5g-set-adopt-gan-military-protectionism-may-hit-supply-2018-02/ |titel=5G set to adopt GaN, but military protectionism may hit supply |titelerg=Gallium nitride (GaN) semiconductor technology looks like being a key element of future wireless infrastructure deployments including 5G. |hrsg=[[Electronics Weekly]] |datum=2018-02-08 |sprache=en |abruf=2018-02-14}}</ref> 2017 werden in ca. 25 % dieser Anwendungen GaN-Bauteile verwendet.<ref>{{Internetquelle |autor=Diana Goovaerts |url=https://www.wirelessweek.com/news/2017/03/gan-gaining-ground-mobile-wireless-infrastructure-market |titel=GaN Gaining Ground in Mobile Wireless Infrastructure Market |hrsg=Wireless Week |datum=2017-03-27 |sprache=en |abruf=2017-04-01}}</ref> Noch sind für kleinere Leistungen wie z. B. in [[Mobiltelefon]]en Bauelemente aus [[Galliumarsenid|GaAs]] kostengünstiger herzustellen.<ref name="Yole" />

Die elektrischen Eigenschaften sowie die Widerstandsfähigkeit gegen Wärme und Strahlung geben dem Material auch für militärische und Weltraumanwendungen eine strategische Bedeutung.<ref>{{Internetquelle |autor=Paul Mozur, Jane Perlez |url=http://www.nytimes.com/2016/02/05/technology/concern-grows-in-us-over-chinas-drive-to-make-chips.html |titel=Concern Grows in U.S. Over China’s Drive to Make Chips |hrsg=[[The New York Times]] |datum=2016-02-04 |sprache=en |abruf=2016-02-11}}</ref> Dadurch können z. B. Firmenübernahmen von Herstellern von Regierungen blockiert werden, wie im Jahr 2016 die geplante [[Infineon#Seit 2009|Übernahme von Wolfspeed durch Infineon]].<ref name="Yole" /><ref>{{Internetquelle |url=https://www.heise.de/newsticker/meldung/Wolfspeed-Uebernahme-durch-Infineon-gescheitert-3629687.html |titel=Wolfspeed-Übernahme durch Infineon gescheitert |hrsg=heise online |datum=2017-02-17 |abruf=2018-02-14}}</ref>

Seit Beginn der 2020er Jahre werden vermehrt Ladegeräte und Netzteile mit GaN-Halbleitern hergestellt, die gegenüber den siliziumbasierten Komponenten höhere Ladeströme bei geringerer Wärmeentwicklung, geringerem Platzbedarf und höherer Energieeffizienz aufweisen.<ref>{{Internetquelle |autor=Joerg Geiger |url=https://www.chip.de/news/Das-richtige-Netzteil-kaufen-Drei-Buchstaben-machen-den-Unterschied_184514848.html |titel=Das richtige Netzteil kaufen: Drei Buchstaben machen den Unterschied |werk=www.chip.de |datum=2022-11-23 |sprache=de |abruf=2025-01-30}}</ref>
[[Datei:Eurobike 2025, Frankfurt am Main (P1048339).jpg|mini|E-Bike-Ladegerät mit GaN-Transistoren]]
Ein Nachteil der GaN-Technologie ist der nach wie vor hohe Preis der GaN-Wafer. Die Kosten betragen ein Vielfaches einer entsprechenden Silicium-Lösung. Auch GaN-auf-[[Siliciumcarbid|SiC]]-[[Substrat (Materialwissenschaft)|Substrate]] sind um ca. 50 % teurer als reines SiC.<ref>{{Internetquelle |autor=Emily Newton |url=https://www.eetimes.com/why-rf-technologies-should-consider-gan-over-silicon/ |titel=Why RF Technologies Should Consider GaN Over Silicon |hrsg=[[EE Times]] |datum=2025-05-07 |sprache=en |abruf=2025-05-11}}</ref>

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* Michinobu Tsuda, Motoaki Iwaya, Satoru Kamiyama, Hiroshi Amano, Isamu Akasaki: ''Metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE) of nitride semiconductor at high growth rate, epitaxial substrates therefrom, and semiconductor devices using them.'' Jpn. Kokai Tokkyo Koho, 2006.
* Tosja K. Zywietz: ''Thermodynamische und kinetische Eigenschaften von Galliumnitrid-Oberflächen.'' Berlin 2000, ISBN 978-3-934479-10-4.
* {{Literatur
|Autor=Sergey L. Rumyantsev, Michael S. Shur, Michael E. Levinshtein
|Titel=Materials properties of nitrides: summary
|Sammelwerk=[[International Journal of High Speed Electronics and Systems]]
|Band=14
|Nummer=1
|Datum=2004
|Seiten=1–19
|Online=https://www.ecse.rpi.edu/Homepages/shur/NitrideParametersIJHSES2004.pdf
|Format=PDF
|KBytes=
|DOI=10.1142/S012915640400220X}}
* {{Literatur
|Autor=S. Fernández-Garrido, G. Koblmüller, E. Calleja, J. S. Speck
|Titel=In situ GaN decomposition analysis by quadrupole mass spectrometry and reflection high-energy electron diffraction
|Sammelwerk=[[Journal of Applied Physics]]
|Band=104
|Nummer=3
|Datum=2008
|Seiten=033541
|Online=http://oa.upm.es/2586/1/INVE_MEM_2008_57018.pdf
|Format=PDF
|KBytes=
|DOI=10.1063/1.2968442}}

== Weblinks ==
* [http://www.ioffe.rssi.ru/SVA/NSM/Semicond/GaN/index.html Physikalische Daten, Joffe-Institut St.Petersburg] (englisch)

[[Kategorie:Galliumverbindung]]
[[Kategorie:Nitrid]]
[[Kategorie:Verbindungshalbleiter]]

Galliumnitrid - Versionsgeschichte

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