Галиум арсенид (GaAs) — III-V директен полупроводник со јаз со цинк кристална структура.
Галиум арсенид се користи во производството на уреди како што се интегрирани кола со микробранова фреквенција, монолитни микробранови интегрирани кола, диоди што емитуваат инфрацрвена светлина, ласерски диоди, сончеви ќелии и оптички прозорци.
GaAs често се користи како материјал за подлога за епитаксијален раст на други полупроводници III-V, вклучувајќи индиум галиум арсенид, алуминиум галиум арсенид и други.
Подготовка и хемија Во соединението, галиумот има +3 оксидациона состојба. Монокристалите на галиум арсенид може да се подготват со три индустриски процеси:
Процесот на замрзнување со вертикален градиент (VGF). Растење на кристалите со помош на печка со хоризонтална зона во техниката Бриџман-Стокбаргер, во која реагираат пареите на галиум и арсен, а слободните молекули се таложат на семениот кристал на поладниот крај на печката. Течно инкапсулиран раст на Чохралски процес (LEC) се користи за производство на единечни кристали со висока чистота кои можат да покажат полуизолациски одлики (види подолу). Повеќето наполитанки GaAs се произведуваат со овој процес.
Алтернативните методи за производство на филмови со GaAs вклучуваат:
Хемиско таложење на пареа реакција на гасовитиот галиум метал и арсен трихлорид: 2 Ga + 2 → 2 GaAs + 3 MOCVD реакција на триметилгалиум и арсин: + → GaAs + 3 Молекуларна епитаксија на зрак (MBE) на галиум и арсен: 4 Ga + → 4 GaAs или 2 Ga + → 2 GaAs
Оксидација на GaAs се случува во воздухот, деградирајќи ги перформансите на полупроводникот. Површината може да се пасивизира со депонирање на кубен галиум(II) сулфиден слој со користење на терц-бутил галиум сулфид соединение како што е ( ."Chemical vapor deposition from single organometallic precursors" A. R. Barron, M. B. Power, A. N. MacInnes, A. F.Hepp, P. P. Jenkins (1994)
Полуизолациски кристали Во присуство на вишок арсен, булите GaAs растат со кристалографски дефекти ; конкретно, дефекти на антизит на арсен (атом на арсен на место на атом на галиум во кристалната решетка). Електронските својства на овие дефекти (кои се во интеракција со други) предизвикуваат нивото на Ферми да се прицврсти во близина на центарот на јазот на опсегот, така што овој кристал GaAs има многу мала концентрација на електрони и дупки. Оваа ниска концентрација на носач е слична на внатрешен (совршено непреработен) кристал, но многу полесно се постигнува во пракса. Овие кристали се нарекуваат „полуизолациски“, како одраз на нивната висока отпорност од 10 7 – 10 9 Ω·cm (што е доста висока за полупроводници, но сепак многу помала од вистински изолатор како стакло).McCluskey, Matthew D. and Haller, Eugene E. (2012) Dopants and Defects in Semiconductors, pp. 41 and 66,
Офорт Влажното офортирање на GaAs индустриски користи оксидирачки агенс како што се водород пероксид или бром вода, и истата стратегија е опишана во патентот кој се однесува на преработка на отпадни компоненти кои содржат GaAs каде што е комплексен со хидроксамична киселина („HA“), на пример:"Oxidative dissolution of gallium arsenide and separation of gallium from arsenic" J. P. Coleman and B. F. Monzyk (1988)
GaAs + + „HA“ → комплекс „GaA“ + + 4
Оваа реакција произведува арсенска киселина.
Електроника
GaAs дигитална логика GaAs може да се користи за различни типови на транзистори: 'Clear search' to see pages
Метално-полупроводнички транзистор со ефект на поле (MESFET) Транзистор со висока електромобилност (HEMT) Транзистор со ефект на спојно поле (JFET) Хетероврзувачки биполарен транзистор (HBT) Метал-оксид-полупроводнички транзистор со ефект на поле (MOSFET)
HBT може да се користи во интегрирана логика за инјектирање (I 2 L).
Најраната логичка порта GaAs користела баферирана FET логика (BFL).
Од 1975 до 1995 година, користените главни логички семејства биле:
Најбрза и најсложена FET логика поврзана со изворот (SCFL), (користена од TriQuint & Vitesse) Кондензатор-диода FET логика (CDFL) (користена од Cray for Cray-3 ) Директно споена FET логика (DCFL) наједноставна и најниска моќност (користена од Vitesse за низи на порти VLSI)
Споредба со силикон за електроника
Предности на GaAs Некои електронски својства на галиум арсенид се супериорни од оние на силициумот. Има поголема брзина на заситени електрони и поголема подвижност на електроните, дозволувајќи им на транзисторите на галиум арсенид да функционираат на фреквенции поголеми од 250 GHz. GaAs уредите се релативно нечувствителни на прегревање, поради нивниот поширок јаз на енергетскиот опсег, и тие исто така имаат тенденција да создаваат помал шум (пореметување во електричниот сигнал) во електронските кола од силиконските уреди, особено на високи фреквенции. Ова е резултат на повисоките мобилности на носачите и пониските резистивни паразити на уредот. Овие супериорни својства се убедливи причини за користење на кола GaAs во мобилни телефони, сателитски комуникации, микробранови врски точка до точка и радарски системи со повисока фреквенција. Се користи и во производството на Gunn диоди за производство на микробранови .
Друга предност на GaAs е тоа што има директен јаз во опсегот, што значи дека може да се користи за ефикасно да апсорбира и емитува светлина. Силиконот има индиректен јаз на лентата и затоа е релативно слаб во емитувањето светлина.
Како материјал со широк директен јаз на појасот што резултира со отпорност на оштетување од радијација, GaAs е одличен материјал за електроника во вселената и оптички прозорци во апликации со висока моќност.
Поради својот јаз со широк опсег, чистиот GaAs е многу отпорен. Во комбинација со висока диелектрична константа, ова својство го прави GaAs многу добра подлога за интегрирани кола и за разлика од Si обезбедува природна изолација помеѓу уредите и кола. Ова го направи идеален материјал за монолитни микробранови интегрирани кола (MMIC), каде активните и суштинските пасивни компоненти можат лесно да се произведат на едно парче GaAs.
Еден од првите GaAs микропроцесори бил развиен во раните 1980-ти од страна на RCA Corporation и се сметал за програмата Star Wars на Министерството за одбрана на Соединетите Американски Држави. Овие процесори биле неколку пати побрзи и неколку поредоци на големина поотпорни на радијација од нивните силиконски колеги, но беа поскапи. Другите GaAs процесори биле имплементирани од продавачите на суперкомпјутери Cray Computer Corporation, Convex и Alliant во обид да останат понапред од CMOS микропроцесорот кој постојано се подобрува. Креј на крајот изградил една машина базирана на GaAs во раните 1990-ти, Cray-3, но напорите не биле соодветно капитализирани и компанијата поднела барање за банкрот во 1995 година.
Комплексни слоевити структури на галиум арсенид во комбинација со алуминиум арсенид (AlAs) или легура Al <sub id="mwzw">x</sub> Ga <sub id="mw0A">1−x</sub> As може да се одгледуваат со помош на епитаксија со молекуларен сноп (MBE) или со употреба на металорганска епитаксија во пареа фаза (MOVPE). Бидејќи GaAs и AlAs имаат речиси иста константа на решетка, слоевите имаат многу мало индуцирано напрегање, што им овозможува да се одгледуваат речиси произволно дебели. Ова овозможува екстремно високи перформанси и висока мобилност на електрони HEMT транзистори и други уреди за квантни бунари .
GaAs се користи за монолитни радарски засилувачи (но GaN може да биде помалку подложен на топлинско оштетување).
Предности на силиконот Силиконот има три главни предности во однос на GaAs за производство на интегрирани кола. Прво, силиконот е изобилен и евтин за обработка во форма на силикатни минерали. Економијата на обем на располагање на силиконската индустрија, исто така, го попречи усвојувањето на GaAs.
Покрај тоа, кристалот Si има многу стабилна структура и може да се одгледува до були со многу голем дијаметар и да се обработи со многу добри приноси. Исто така, тој е прилично добар топлински спроводник, што овозможува многу густо пакување на транзистори кои треба да се ослободат од нивната топлина на работа, а сето тоа е многу пожелно за дизајнирање и производство на многу големи ИЦ . Ваквите добри механички одлики го прават соодветен материјал за полето на наноелектрониката што брзо се развива. Природно, површината на GaAs не може да ги издржи високите температури потребни за дифузија; сепак, одржлива и активно користена алтернатива од 1980-тите беше имплантација на јони.
Втората голема предност на Si е постоењето на природен оксид (силикон диоксид, SiO2 ), кој се користи како изолатор. Силиконскиот диоксид лесно може да се вгради во силиконските кола, а таквите слоеви се прилепуваат на основниот силикон. SiO2 не е само добар изолатор (со 8,9 eV ), туку интерфејсот Si-SiO 2 може лесно да се конструира за да има одлични електрични својства, што е најважно со мала густина на состојбите на интерфејсот. GaAs нема својствен оксид, не поддржува лесно стабилен прилепувачки изолационен слој и не поседува диелектрична јачина или површински пасивизирачки квалитети на Si- SiO2.
Алуминиум оксидот (Al2O3) е опширно проучен како можен портен оксид за GaAs (како и InGaAs).
Третата предност на силиконот е тоа што поседува поголема подвижност на дупките во споредба со GaAs (500 наспроти 400 cm 2 V −1 s −1 ).Sze, S. M. (1985). Semiconductor Devices Physics and Technology. John Wiley & Sons. Appendix G. Оваа висока мобилност овозможува производство на транзистори со ефект на поле со P-канален со поголема брзина, кои се потребни за CMOS логика. Бидејќи им недостига брза CMOS структура, GaAs кола мора да користат логички стилови кои имаат многу поголема потрошувачка на енергија; ова направи GaAs логичките кола да не можат да се натпреваруваат со силиконските логички кола.
За производство на сончеви ќелии, силиконот има релативно ниска апсорпција на сончева светлина, што значи дека се потребни околу 100 микрометри Si за да се апсорбира најголемиот дел од сончевата светлина. Таквиот слој е релативно робустен и лесен за ракување. Спротивно на тоа, апсорпцијата на GaAs е толку висока што се потребни само неколку микрометри дебелина за да се апсорбира целата светлина. Следствено, тенките филмови GaAs мора да бидат поддржани на материјал од подлогата.Single-Crystalline Thin Film. US Department of Energy
Силиконот е чист елемент кој ги избегнува проблемите на стехиометриска нерамнотежа и топлинско немешање на GaAs.
Силиконот има речиси совршена решетка; густината на нечистотијата е многу мала и овозможува изградба на многу мали структури (до 5<span typeof="mw:Entity" id="mwAQg"> </span>nm во комерцијално производство од 2020 година ). Спротивно на тоа, GaAs има многу висока густина на нечистотија, што го отежнува изградбата на интегрирани кола со мали структури, така што 500 nm процесот е вообичаен процес за GaAs.
Силиконот има околу три пати поголема топлинска спроводливост од GaAs, со помал ризик од локално прегревање кај уредите со висока моќност.
Други апликации мини|GaAs клетки со тројно спојување што го покриваат MidSTAR-1
Транзистор користи Транзисторите на галиум арсенид (GaAs) се користат во RF засилувачите за напојување за мобилни телефони и безжична комуникација.
Сончеви ќелии и детектори Галиум арсенидот е важен полупроводнички материјал за сончеви ќелии со висока цена и висока ефикасност и се користи за еднокристални сончеви ќелии со тенок филм и за сончеви ќелии со повеќе спојки .
Првата позната оперативна употреба на сончеви ќелии GaAs во вселената била за мисијата Венера 3, лансирана во 1965 година. Сончевите ќелии GaAs, произведени од Квант, биле избрани поради нивните повисоки перформанси во средини со висока температура. Ќелиите GaAs потоа биле користени за роверите Луноход од истата причина.