Il nitruro di gallio è un semiconduttore rivoluzionario per l’illuminazione a LED ad alta efficienza energetica. Tale materiale è stato scoperto dai ricercatori della Cornell University, con le sue proprietà pubblicate in un articolo su Science il 26 settembre 2019.
In particolare, il nitruro di gallio è un semiconduttore III-V, noto per la sua resistenza chimica elevata agli ambienti corrosivi grazie al forte legame tra gallio e azoto. Unitamente al nitruro di alluminio e al nitruro di indio, presenta elevatissima mobilità elettronica, un intervallo di band gap elevato e biocompatibilità.
Questo semiconduttore presenta una struttura monocristallina esagonale, tipica della wurtzite. Su scala nanometrica, può essere sintetizzato in diversi gruppi morfologici, tra cui nanoparticelle, nanobarre, nanotubi e fili quantici utilizzando diverse tecniche di sintesi. Le particelle di nitruro di gallio hanno una durezza meccanica molto elevata e proprietà termiche e ottiche superiori che dipendono dalla dimensione dei nanocristalli a causa del confinamento quantistico.
Quando il nitruro di gallio è su scala nanometrica, le sue proprietà differiscono notevolmente. Per esempio, per un cristallo l’energia del band gap, è di 3.4 eV, rendendolo trasparente nel campo del visibile, mentre per una polvere di dimensioni nanometriche, il band gap è inferiore, come 2.15 eV per i nanotubi di nitruro di gallio.
Nei primi anni ’60, la sintesi di polvere di nitruro di gallio fu realizzata utilizzando polveri di fosfuro di gallio o arseniuro di gallio in presenza di ammoniaca a 1000-1100°C. Un altro metodo di sintesi prevede la riduzione seguita da nitrurazione dell’ossido di gallio in presenza di ammoniaca.
I film sottili di nitruro di gallio policristallini su substrati di quarzo sono ottenuti dalla reazione tra cloruro di gallio e azoto. Le prime pellicole epitassiali ottenute dalla deposizione su una superficie monocristallina di zaffiro hanno utilizzato una scarica per dissociare l’azoto molecolare in azoto elementare e gallio.
Il nitruro di gallio ha trovato molte applicazioni nell’optoelettronica. Una delle sue applicazioni più conosciute è il diodo laser viola, utilizzato per leggere i Blu-ray Disc, supporti di memoria di tipo ottico in grado di memorizzare contenuti in Full HD e Ultra HD. Inoltre, i transistor ad alta mobilità elettronica (HEMT) basati sul nitruro di gallio sono componenti chiave in diverse applicazioni che vanno dalla difesa alle comunicazioni.
I semiconduttori al nitruro di gallio offrono prestazioni ad alta velocità e ridotte emissioni di carbonio, rendendoli un punto di svolta nel campo dell’elettronica. Questi semiconduttori stanno inoltre trovando applicazioni nei server dei data center, sostituendo quelli al silicio che presentano limiti nella potenza di elaborazione in modo efficace ed efficiente.