Gallium arsenid - Gallium arsenide

Gallium arsenid
Vzorky arsenidu gália
Gallium Arsenide (GaAs) 2 "wafer.jpg
GaAs destička s orientací (100)
Jména
Preferovaný název IUPAC
Gallium arsenid
Identifikátory
3D model ( JSmol )
ChemSpider
Informační karta ECHA 100.013.741 Upravte to na Wikidata
Číslo ES
Pletivo galium + arsenid
Číslo RTECS
UNII
UN číslo 1557
  • InChI = 1S / AsH3.Ga.3H / h1H3 ;;;; ☒N
    Klíč: SHVQQKYXGUBHBI-UHFFFAOYSA-N ☒N
  • [Ga] # [jako]
  • [Ga + 3]. [As-3]
Vlastnosti
GaAs
Molární hmotnost 144,645 g / mol
Vzhled Šedé krystaly
Zápach po navlhčení podobný česneku
Hustota 5,3176 g / cm 3
Bod tání 1238 ° C (2260 ° F; 1511 K)
nerozpustný
Rozpustnost rozpustný v HCl
nerozpustný v ethanolu , methanolu , acetonu
Mezera v pásmu 1,441 eV (při 300 K)
Elektronová mobilita 9000 cm 2 / (V · s) (při 300 K)
-16,2 × 10 - 6 centů
Tepelná vodivost 0,56 W / (cm · K) (při 300 K)
Index lomu ( n D )
3.3
Struktura
Směs zinku
T 2 d - F -4 3 m
a  = 565 315 hodin
Čtyřboká
Lineární
Nebezpečí
Bezpečnostní list Externí bezpečnostní list
Piktogramy GHS GHS08: Nebezpečí pro zdraví
Signální slovo GHS Nebezpečí
H350 , H372 , H360F
P261 , P273 , P301 + 310 , P311 , P501
NFPA 704 (ohnivý diamant)
3
0
0
Související sloučeniny
Jiné anionty
Nitrid
galia Fosfid
galia antimonid
Není-li uvedeno jinak, jsou uvedeny údaje o materiálech v jejich standardním stavu (při 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
☒N ověřit  ( co je   ?) šekY☒N
Reference Infoboxu

Gallium arsenid ( GaAs ) je polovodič s přímou pásmovou mezerou III-V se krystalickou strukturou směsi zinku .

Arsenid galia se používá při výrobě zařízení, jako jsou mikrovlnné frekvenční integrované obvody , monolitické mikrovlnné integrované obvody , infračervené diody emitující světlo , laserové diody , solární články a optická okna.

GaAs je často používán jako podkladový materiál pro epitaxiální růst jiných III-V polovodičů, včetně indium arsenid galia , hliníku arsenidu galia a další.

Příprava a chemie

Ve sloučenině má galium oxidační stav +03 . Monokrystaly arsenidu galium lze připravit třemi průmyslovými procesy:

  • Proces vertikálního zmrazení (VGF) (většina destiček GaAs se vyrábí pomocí tohoto procesu).
  • Růst krystalů pomocí pece s horizontální zónou v technice Bridgman-Stockbarger , ve které reagují páry gália a arsenu, a volné molekuly se ukládají na očkovací krystal na chladnějším konci pece.
  • Růst Czochralski (LEC) zapouzdřený v kapalině se používá k výrobě vysoce čistých monokrystalů, které mohou vykazovat semizolační vlastnosti (viz níže).

Alternativní způsoby výroby filmů GaA jsou:

K oxidaci GaAs dochází ve vzduchu, což zhoršuje výkon polovodiče. Povrch lze pasivovat nanesením vrstvy kubického galium (II) sulfidu pomocí terc-butylsulfidové sloučeniny gália, jako je (t
BuGaS)
7
.

Poloizolační krystaly

V přítomnosti přebytečného arsenu rostou boule GaAs s krystalografickými defekty ; konkrétně defekty antisitu arsenu (atom arsenu v místě atomu gália v krystalové mřížce). Elektronické vlastnosti těchto defektů (interakce s ostatními) způsobují, že hladina Fermiho je přitlačena blízko středu mezery pásma, takže tento krystal GaAs má velmi nízkou koncentraci elektronů a děr. Tato nízká koncentrace nosiče je podobná vnitřnímu (dokonale nedopovanému) krystalu, ale v praxi je mnohem snazší dosáhnout. Tyto krystaly se nazývají „poloizolační“, což odráží jejich vysoký měrný odpor 10 7 –10 9 Ω · cm (který je pro polovodič poměrně vysoký, ale stále mnohem nižší než skutečný izolátor jako sklo).

Leptání

Mokré leptání GaAs průmyslově používá oxidační činidlo, jako je peroxid vodíku nebo bromová voda, a stejná strategie byla popsána v patentu týkajícím se zpracování šrotu složek obsahujících GaAs, kde Ga3+
je v komplexu s kyselinou hydroxamovou ("HA"), například:

GaAs + H
2
Ó
2
+ "HA" → "GaA" komplex + H
3
AsO
4
+ 4 hodiny
2
Ó

Tato reakce produkuje kyselinu arsenovou .

Elektronika

GaAs digitální logika

GaAs lze použít pro různé typy tranzistorů:

HBT lze použít v integrované logice vstřikování (I 2 L).

Nejstarší logická brána GaAs používala logickou FET logiku (BFL).

Od c.  1975 až 1995 byly hlavními použitými logickými rodinami:

Srovnání s křemíkem pro elektroniku

Výhody GaAs

Některé elektronické vlastnosti arsenidu gália jsou lepší než vlastnosti křemíku . Má vyšší rychlost nasycených elektronů a vyšší mobilitu elektronů , což umožňuje tranzistorům arsenidu galia fungovat na frekvencích přesahujících 250 GHz. Zařízení GaAs jsou relativně necitlivá na přehřátí kvůli své větší mezeře v energetickém pásmu a mají také tendenci vytvářet menší šum (rušení v elektrickém signálu) v elektronických obvodech než křemíková zařízení, zejména při vysokých frekvencích. Je to důsledek vyšších mobilit nosných a nižších parazitiků odporového zařízení. Tyto vynikající vlastnosti jsou závažným důvodem pro použití obvodů GaAs v mobilních telefonech , satelitní komunikaci, mikrovlnných spojích bod-bod a vysokofrekvenčních radarových systémech. Používá se také při výrobě Gunnových diod pro generování mikrovln .

Další výhodou GaAs je, že má přímou mezeru v pásmu , což znamená, že ji lze použít k efektivní absorpci a emitování světla. Křemík má nepřímou mezeru v pásmu, a proto je relativně špatně vyzařující světlo.

Jako materiál se širokým přímým pásmem s výslednou odolností proti poškození radiací je GaAs vynikajícím materiálem pro elektroniku vesmíru a optická okna ve vysoce výkonných aplikacích.

Čistý GaAs je díky své širokopásmové mezeře vysoce odolný. V kombinaci s vysokou dielektrickou konstantou činí tato vlastnost GaAs velmi dobrým substrátem pro integrované obvody a na rozdíl od Si poskytuje přirozenou izolaci mezi zařízeními a obvody. Díky tomu se stal ideálním materiálem pro monolitické mikrovlnné integrované obvody (MMIC), kde lze snadno a rychle vyrobit aktivní a základní pasivní součásti na jednom plátku GaA.

Jedním z prvních GaAs mikroprocesorů byl vyvinut v časných 1980, které RCA Corporation a byl považován za programem Star Wars z amerického ministerstva obrany . Tyto procesory byly několikrát rychlejší a o několik řádů odolnější vůči záření než jejich protějšky z křemíku, ale byly dražší. Další procesory GaAs byly implementovány prodejci superpočítačů Cray Computer Corporation , Convex a Alliant ve snaze udržet náskok před neustále se zlepšujícím mikroprocesorem CMOS . Cray nakonec na počátku 90. let postavil jeden stroj na bázi GaAs, Cray-3 , ale úsilí nebylo dostatečně kapitalizováno a společnost podala v roce 1995 bankrot.

Složité vrstvené struktury arsenidu gália v kombinaci s arsenidem hlinitým (AlAs) nebo slitinou Al x Ga 1 − x As lze pěstovat pomocí epitaxe molekulárního paprsku (MBE) nebo pomocí metalorganické epitaxe v plynné fázi (MOVPE). Protože GaAs a AlAs mají téměř stejnou mřížkovou konstantu , vrstvy mají velmi malé indukované napětí , což jim umožňuje růst téměř libovolně tlustě. To umožňuje extrémně vysoký výkon a vysokou mobilitu elektronů HEMT tranzistory a další kvantová zařízení.

GaAs se používá pro monolitické radarové výkonové zesilovače ( GaN však může být méně náchylné k poškození teplem).

Výhody křemíku

Pro výrobu integrovaných obvodů má křemík oproti GaAs tři hlavní výhody. Za prvé, křemík je hojný a levný na zpracování ve formě silikátových minerálů. Tyto úspory z rozsahu k dispozici odvětví křemíku také brání přijetí GaAs.

Kromě toho má Si krystal velmi stabilní strukturu a může být pěstován na boule s velmi velkým průměrem a zpracován s velmi dobrými výtěžky. Je to také docela dobrý tepelný vodič, který umožňuje velmi husté balení tranzistorů, které se potřebují zbavit svého provozního tepla, což je velmi žádoucí pro konstrukci a výrobu velmi velkých integrovaných obvodů . Takové dobré mechanické vlastnosti z něj také činí vhodný materiál pro rychle se rozvíjející pole nanoelektroniky . Přirozeně povrch GaAs nemůže odolat vysokým teplotám potřebným pro difúzi; životaschopnou a aktivně sledovanou alternativou od 80. let byla iontová implantace.

Druhou hlavní výhodou Si je existence nativního oxidu ( oxid křemičitý , SiO 2 ), který se používá jako izolátor . Oxid křemičitý lze snadno zabudovat do křemíkových obvodů a tyto vrstvy přilnou k podkladovému křemíku. SiO 2 není jen dobrý izolátor (s mezerou pásma 8,9 eV ), ale rozhraní Si-SiO 2 lze snadno navrhnout tak, aby mělo vynikající elektrické vlastnosti, především nízkou hustotu stavů rozhraní. GaAs nemá nativní oxid, není snadno podporují stabilní spjatá izolační vrstvu, a nemá dielektricky nebo povrchových pasivačních vlastností Si-SiO 2 .

Oxid hlinitý (Al 2 O 3 ) byl rozsáhle studován jako možný hradlový oxid pro GaAs (stejně jako InGaAs ).

Třetí výhodou křemíku je, že ve srovnání s GaAs má vyšší pohyblivost otvorů (500 oproti 400 cm 2 V -1 s -1 ). Tato vysoká mobilita umožňuje výrobu vysokorychlostních tranzistorů s efektem pole P-kanálu , které jsou vyžadovány pro logiku CMOS . Protože jim chybí rychlá struktura CMOS, musí obvody GaAs používat logické styly, které mají mnohem vyšší spotřebu energie; toto způsobilo, že logické obvody GaAs nemohly konkurovat silikonovým logickým obvodům.

Pro výrobu solárních článků má křemík pro sluneční světlo relativně nízkou absorpční schopnost, což znamená, že k absorpci většiny slunečního záření je zapotřebí asi 100 mikrometrů Si. Taková vrstva je relativně robustní a snadno se s ní manipuluje. Naproti tomu je absorpce GaAs tak vysoká, že k absorbování veškerého světla je zapotřebí pouze několik mikrometrů tloušťky. Proto musí být tenké vrstvy GaAs naneseny na podkladový materiál.

Křemík je čistý prvek, který se vyhýbá problémům se stechiometrickou nerovnováhou a tepelným směšováním GaAs.

Křemík má téměř dokonalou mříž; hustota nečistot je velmi nízká a umožňuje stavět velmi malé struktury ( v komerční produkci od roku 2020 do 5 nm ). Naproti tomu GaAs má velmi vysokou hustotu nečistot, což ztěžuje vytváření integrovaných obvodů s malými strukturami, takže 500 nm proces je pro GaAs běžným procesem.

Křemík má asi trojnásobek tepelné vodivosti GaAs, s menším rizikem místního přehřátí u vysoce výkonných zařízení.

Další aplikace

Buňky GaAs s trojitým spojením pokrývající MidSTAR-1

Použití tranzistoru

Tranzistory arsenidu gália (GaAs) se používají v RF výkonových zesilovačích pro mobilní telefony a bezdrátovou komunikaci.

Solární články a detektory

Gallium arsenid je důležitý polovodičový materiál pro vysoce nákladné a vysoce účinné solární články a používá se pro monokrystalické tenkovrstvé solární články a pro vícebodové solární články .

První známé provozní využití solárních článků GaAs ve vesmíru bylo pro misi Venera 3 , která byla zahájena v roce 1965. Solární články GaAs, vyrobené společností Kvant, byly vybrány kvůli jejich vyššímu výkonu v prostředí s vysokou teplotou. Buňky GaAs byly poté použity ze stejných důvodů pro rover Lunokhod .

V roce 1970 byly týmem vedeným Zhoresem Alferovem v SSSR vyvinuty heterostrukturní solární články GaAs , čímž bylo dosaženo mnohem vyšší účinnosti. Na začátku 80. let překonala účinnost nejlepších solárních článků GaAs účinnost konvenčních solárních článků na bázi krystalického křemíku . V 90. letech převzaly solární články GaAs křemík jako typ článku, který se nejčastěji používá pro fotovoltaická pole pro satelitní aplikace. Později byly jako základ solárního článku s trojitým spojem vyvinuty solární články s dvojitým a trojitým spojem na bázi GaAs s vrstvami fosfidu germania a india a gália , které mají rekordní účinnost přes 32% a mohou pracovat i se soustředěným světlem jako 2 000 sluncí. Tento druh solárního článku poháněl Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity , který zkoumal povrch Marsu . Také mnoho solárních automobilů využívá GaAs v solárních polích.

Zařízení založená na GaAs drží světový rekord v nejúčinnějším jednoproudém solárním článku na 29,1% (stav z roku 2019). Tato vysoká účinnost je přičítána extrémně kvalitnímu epitaxnímu růstu GaAs, pasivaci povrchu pomocí AlGaAs a podpoře recyklace fotonů tenkým filmem.

Složité konstrukce zařízení Al x Ga 1 - x As-GaAs využívajících kvantové jamky mohou být citlivé na infračervené záření ( QWIP ).

Diody GaAs lze použít k detekci rentgenových paprsků.

Zařízení pro vyzařování světla

Struktura pásma GaAs. Přímá mezera GaAs vede k efektivní emisi infračerveného světla při 1,424 eV (~ 870 nm).

GaAs se používá k výrobě laserových diod s blízkým infračerveným paprskem od roku 1962. Často se pro tyto aplikace používá ve slitinách s jinými polovodičovými sloučeninami.

Měření teploty optickým vláknem

Za tímto účelem je hrot optického vlákna snímače teploty optického vlákna vybaven krystalem arsenidu gália. Počínaje světelnou vlnovou délkou 850 nm se GaAs stává opticky průsvitným. Vzhledem k tomu, že spektrální poloha mezery pásma je závislá na teplotě, posune se přibližně o 0,4 nm / K. Měřicí zařízení obsahuje světelný zdroj a zařízení pro spektrální detekci pásmové mezery. Se změnou mezery pásma (0,4 nm / K) algoritmus vypočítá teplotu (všech 250 ms).

Spin-charge převaděče

GaAs mohou mít aplikace ve spintronice, protože mohou být použity místo platiny v měničích spin-charge a mohou být laditelnější.

Bezpečnost

Byly hlášeny aspekty životního prostředí, zdraví a bezpečnosti zdrojů arsenidu galia (jako je trimethylgallium a arsin ) a studie monitorování průmyslové hygieny metalorganických prekurzorů. Kalifornie uvádí arsenid galia jako karcinogen , stejně jako IARC a ECA , a je považován za známý karcinogen u zvířat. Na druhou stranu, revize z roku 2013 (financovaná průmyslem) argumentovala proti těmto klasifikacím s tím, že když krysy nebo myši vdechují jemné prášky GaAs (jako v předchozích studiích), dostanou rakovinu z výsledného podráždění a zánětu plic, spíše než z primární karcinogenní účinek samotných GaAs - a navíc je nepravděpodobné, že by při výrobě nebo použití GaAs vznikly jemné prášky GaAs.

Viz také

Reference

Citované zdroje

externí odkazy