Arzenid galitý (GaAs) je chemická zlúčenina arzénu s gáliom. Používa sa ako polovodič.arzenidy. In: Kryštalizuje v kubickej sústave.
Arzenid galitý sa používa pri výrobe zariadení ako sú monolitické mikrovlnné integrované obvody, infračervené luminiscenčné diódy, laserové diódy a solárne články.
Arzenid galitý sa často používa ako substrát pre tvorbu ďalších polovodičov, napríklad indium-gálium-arzenidu.
Príprava V arzenide galitom má gálium oxidačný stav +III. Monokryštál arzenidu galitého možno priemyselne pripraviť tromi spôsobmi:
vertical gradient freeze (VGF, v preklade vertikálne gradientové mrazenie) rast kryštálov v horizontálnej peci s použitím Bridgmanovej-Stockbargerovej metódy, pri ktorej spolu reagujú výpary gália a arzénu a vznikajúce molekuly sa deponujú na kryštál vznikajúci na chladnejšom konci pece kvapalinou pokrytá Czochralského metóda (LEC metóda) umožňuje tvorbu veľmi čistých monokryštálov, ktoré vykazujú poloizolačné vlastnosti (pozri nižšie). Väčšina polovodičových plátkov z arzenidu galitého sa vyrába touto metódou.
Medzi ďalšie metódy tvorby filmov (tenkých vrstiev) GaAs patria:
reakcia plynného gália s chloridom arzenitým (metóda VPE): 2 Ga + 2 → 2 GaAs + 3 reakciou plynného trimetylgália a arzánu (metóda MOCVD): + → GaAs + 3 reakciou gália a arzénu (metóda MBE): 4 Ga + → 4 GaAs alebo 2 Ga + → 2 GaAs
Na vzduchu dochádza k oxidácii arzenidu galitého, čo znižuje výkon polovodiča. Povrch je možné ochrániť vrstvou kubického sulfidu galnatého použitím terc-butylgáliumsulfidových zlúčenín, napr. (t-BuGaS)7."Chemical vapor deposition from single organometallic precursors" A. R. Barron, M. B. Power, A. N. MacInnes, A. F.Hepp, P. P. Jenkins (1994)
Poloizolačné kryštály V prítomnosti nadbytku arzénu vznikajú kryštály s kryštálovými poruchami, konkrétne vznikajú miesta, kde sa nachádza arzén na miestach, kde by v kryštálovej mriežke malo byť gálium. Elektronické vlastnosti týchto defektných kryštálov spôsobujú, že Fermiho hladina týchto materiálov je takmer presne v strede zakázaného pásu, takže kryštál GaAs má veľmi nízku koncentráciu elektrónov a dier. Táto nízka koncentrácia nosičov náboja je podobná prirodzenému (nedopovanému) kryštálu, ale je výrazne jednoduchšie pripraviť kryštál s nadbytkom arzénu. Tieto kryštály sa nazývajú poloizolačné, pretože majú vysokú rezistivitu, približne 107109 Ω·cm (čo je veľmi vysoká hodnota pre polovodiče, ale stále výrazne nižšia než pre skutočné izolanty, ako napríklad sklo).McCluskey, Matthew D. and Haller, Eugene E. (2012) Dopants and Defects in Semiconductors, pp. 41 and 66,
Odstraňovanie nečistôt Priemyselne sa na odstraňovanie nečistôt z GaAs používajú oxidačné činidlá, napríklad peroxid vodíka alebo brómová voda. Takisto bol popísaný patento, ktorrý navrhuje rovnakým spôsobom spracovať súčiastky na vyhodenie, ktoré obsahujú GaAs, kde Ga3+ tvorí komplex s hydroxámovými kyselinami (HA), napríklad:"Oxidative dissolution of gallium arsenide and separation of gallium from arsenic" J. P. Coleman and B. F. Monzyk (1988)
GaAs + + HA → komplex GaA + + 4
V procese vzniká kyselina arzeničná.
Elektronika
GaAs v logických obvodoch Arzenid galitý sa používa v rôznych druhoch tranzistorov: 'Clear search' to see pages
Tranzistor riadený poľom s prechodom kov-polovodič (MESFET) Tranzistor s vysokou pohyblivosťou elektrónov (HEMT) Tranzistor riadený poľom s prechodovým hradlom (JFET) Bipolárny tranzistor s heteropriechodom (HBT) Tranzistor riadený poľom s hradlovou oxidovou vrstvou (MOSFET)
Porovnanie s kremíkom v elektronike
Výhody arzenidu galitého Niektoré elektronické vlastnosti arzenidu galitého sú lepšie, než vlastnosti kremíka. GaAs má vyššiu pohyblivosť elektrónov a vyššiu saturovanú rýchlosť, čo umožňuje tranzistorom z tohto materiálu fungovať na frekvenciách vyšších než 250 GHz. Súčiastky z arzenidu galitého sú relatívne málo náchylné k prehriatiu, čo súvisí s ich širším zakázaným pásom, a takisto v porovnaní s kremíkovými súčiastkami tvoria menej šumu v elektrickom signále, hlavne pri vyšších frekvenciách. Tieto vlastnosti sú dôsledkom vyššej pohyblivosti nosičov náboja a nižšej nežiadanej rezistivite. Tieto výhodnejšie vlastnosti zvýhodňujú použitie GaAs v mobilných telefónoch, satelitnej komunikácii a vysokofrekvenčných radarových systémov. Arzenid galitý sa takisto používa pri manufaktúre Gunnových diód na tvorbu mikrovĺn.
Ďalšou výhodou arzenidu galitého je to, že má priamy zakázaný pás, čo znamená, že ho možno využiť na účinnú absorpciu a emisiu žiarenia. Kremík má nepriamy zakázaný pás, takže emituje svetlo veľmi slabo.
Keďže arzenid galitý má široký priamy zakázaný pás a vďaka tomu odoláva poškodeniu radiáciou, je to výborný materiál pre použitie v elektronike vo vesmíre.
Vďaka svojmu širokému zakázanému pásu má čistý GaAs vysoký merný elektrický odpor. Takisto má vysokú dielektrickú konštantu a vďaka týmto vlastnostiam je arzenid galitý veľmi dobrým substrátom pre integrované obvody a na rozdiel od kremíku poskytuje prirodzenú izoláciu medzi súčiastkami a obvodmi. Vďaka tomu je to ideálny materiál pre použitie v monolitických mikrovlnných integrovaných obvodoch, kde je možné vyrobiť aktívne a esenciálne pasívne súčiastky na jednom plátku GaAs.
Jeden z prvých GaAs mikroprocesorov bol vyvinutý na začiatku 80. rokov 20. storočia spoločnosťou RCA a jeho použitie bolo zvážené pre program Star Wars. Tieto procesory boli niekoľkokrát rýchlejšie a o niekoľko rádov odolnejšie voči žiareniu oproti kremíkovým, ale boli drahšie. Ďalšie GaAs procesory boli použité výrobcami superpočítačov Cray, Convex a Alliant v snahe udržať krok s CMOS mikroprocesormi. Spoločnosť Cray nakoniec vyvinula stroj využívajúci GaAs na začiatku 90. rokov 20. storočia, s názvom Cray-3, ale nebola z toho schopná kapitalizovať a nakoniec zbankrotovala v roku 1995.
Komplexné vrstvené štruktúry arzenidu galitého v kombinácii s arzenidom hlinitým (AlAs) alebo zliatinou AlxGa1−xAs možno vytvoriť pomocou metódy MBE alebo pomocou metódy MOVPE. Keďže GaAs a AlAs majú takmer zhodné mriežkové konštanty, majú tieto vrstvy nízke pnutie, čo umožňuje prakticky akúkoľvek hrúbku. Vďaka tomu možno vyrobiť HEMT tranzistory s extrémne vysokým výkonom a vysokou pohyblivosťou elektrónov a iné súčiastky s kvantovou jamou.
GaAs sa využíva i pre monolitické radarové zosilňovače (niekedy sa však oplatí použitie nitridu galitého, GaN, kvôli nižšej náchylnosti k poškodeniu vysokou teplotou).
Výhody kremíka Kremík má oproti arzenidu galitému tri dôležité výhody pre výrobu integrovaných obvodov.
Prvou z nich je dostupnosť a nízka cena kremíku, ktorý možno získať z kremičitanov.
Okrem toho má kryštál kremíka veľmi stabilnú štruktúru a možno ho vytvoriť vo veľkých rozmerov a spracovať s dobrými výťažkami. Je to relatívne dobrý tepelný vodič, takže umožňuje tesné usporiadanie tranzistorov, čo je žiaduce pre dizajn a veľkovýrobu veľmi veľkých integrovaných obvodov. Tieto mechanické vlastnosti z neho takisto robia vhodný materiál pre rýchlo vyvíjajúci sa odbor nanoelektroniky. Povrch arzenidu galitého prirodzene nevydrží vysoké teploty. Existujú však i ďalšie alternatíve úpravy.
Druhou veľkou výhodou kremíka je existencia jeho prírodného oxidu (oxidu kremičitého, SiO2), ktorý sa používa ako izolant. Oxid kremičitý možno ľahko zabudovať do kremíkových obvodov a takéto vrstvy prirodzene držia na kremíku pod nimi. Oxid kremičitý je nielen dobrým izolantom (so šírkou zakázaného pásu 8,9 eV), ale rozhranie Si-SiO2 možno ľahko upraviť tak, aby malo skvelé elektrické vlastnosti, hlavne nízku hustotu stavov na rozhraní. Oproti tomu arzenid galitý nemá prírodný oxid, neumožňuje jednoduché navrstvenie izolantu a nemá dielektrickú silu alebo pasivačné schopnosti Si-SiO2. Ako možná alternatívna pre GaAs bol študovaný oxid hlinitý (Al2O3).
Treťou výhodou kremíka je to, že má vyššiu pohyblivosť dier oproti arzenidu galitému (500 versus 400 cm2V−1s−1).Sze, S. M. (1985). Semiconductor Devices Physics and Technology. John Wiley & Sons. Appendix G. Táto pohyblivosť umožňuje výrobu rýchlych P-kanálových tranzistorov riadených poľom, ktoré sú nutné pre CMOS logické obvody. Keďže im chýba rýchla CMOS štruktúra, obvody z arzenidu galitého musia využívať logické štýly, ktoré majú vyššiu spotrebu energie. Kvôli tomu sa logické obvody z GaAs nie sú schopné vyrovnať kremíkovým logickým obvodom.
Kremík má relatívne nízky molárny absorpčný koeficient pre slnečné svetlo, čo pri výrobe solárnych článkov znamená nutnosť vrstvy asi 100 mikrometrov kremíka, aby bolo možné absorbovať väčšinu slnečného svetla. Takáto vrstva je relatívne robustná a ľahko sa s ňou pracuje. Oproti tomu je molárny absorpčný koeficient arzenidu galitého tak vysoký, že stačí pár mikrometrov hrubá vrstva, aby sa pohltilo všetko žiarenie. Kvôli tomu musia byť tenké vrstvy arzenidu galitého nanesené na nejaký nosný materiál.Single-Crystalline Thin Film. US Department of Energy
Kremík je čistý prvok, takže uňho nie je nutné riešiť stechiometrický pomer ako u arzenidu galitého.
Kremík má takmer dokonalú mriežku, hustota nečistôt je veľmi malá, čo umožňuje vytvoriť veľmi malé štruktúry (na úrovni 5 nm v komerčnej výrobe v roku 2020). Oproti tomu arzenid galitý má veľmi vysokú hustotu nečistôt, kvôli čomu je náročné z neho vytvoriť integrované obvody s malými štruktúrami, takže sa preňho používa 500 nm proces.
Kremík má asi trikrát vyššiu tepelnú vodivosť než arzenid galitý, čo znamená nižšie riziko lokálneho prehriatia v súčiastkách s vysokým výkonom.
Ďalšie použitie náhľad|Trojprechodový GaAs článok na povrchu MidSTAR-1
Tranzistory Tranzistory z arzenidu galitého sa používajú v zosilňovačoch rádiovĺn v telefónoch a bezdrôtovej komunikácii.
Solárne články a detektory Arzenid galitý je dôležitým polovodičovým materiálov pre drahé vysokoúčinné solárne články a používa pre monokryštálové tenkovrstvové solárne články a pre viacprechodové solárne články.
Prvý známy prípad použitia fotovoltických článkov z arzenidu galitého bolo vo vesmírnej sonde Venera-3 v roku 1965. Tieto solárne články, vyrobené spoločnosťou Kvant, boli zvolené kvôli ich vysokému výkonu v prostrediach s vysokou teplotou. Solárne články využívajúce GaAs boli potom použité z rovnakého dôvodu i v lunochodoch.
V roku 1970 boli vyvinuté heteroštruktúrne solárne články v tíme Žoresa Ivanoviča Alfiorova v ZSSR,Alferov, Zh. I., V. M. Andreev, M. B. Kagan, I. I. Protasov and V. G. Trofim, 1970, ‘‘Solar-energy converters based on p-n AlxGa1−xAs-GaAs heterojunctions,’’ Fiz. Tekh. Poluprovodn. 4, 2378 (Sov. Phys. Semicond. 4, 2047 (1971))Nanotechnology in energy applications. im.isu.edu.tw. 16 November 2005 (in Chinese) p. 24Nobel Lecture by Zhores Alferov at nobelprize.org, p. 6 ktoré dosiahli omnoho vyššie účinnosti. Na začiatku 80. rokov 20. storočia prekonala účinnosť najlepších fotovoltických článkov z GaAs účinnosť bežných solárnych článkov založených na kryštalickom kremíku. V 90. rokoch sa potom solárne články s GaAs stali najbežnejšie používanými článkami pre fotovoltické systémy v satelitoch. Neskôr boli vyvinuté dvoj- a trojprechodové solárne články založené na GaAs s germániovými a indium-gálium-fosfidovými vrstvami ako základ trojprechodových solárnych článkov, ktoré mali rekordnú účinnosť viac ako 32 % a boli schopné fungovať i pri svetle s výkonom 2000 sĺnk. Tento typ solárnych článkov poháňal vozidiel misie Mars Exploration Rover, Spirit a Opportunity, ktoré objavovali povrch Marsu. Mnohé solárne autá využívajú GaAs vo fotovoltických systémoch a rovnako to je u Hubblovho teleskopu.