Арсенид галлия - Gallium arsenide

"GaAs" перенаправляется сюда. Информацию о сервисе видеоигр GaaS см. Игры как услуга.
Арсенид галлия
Образцы арсенида галлия
Арсенид галлия (GaAs) 2
Пластина GaAs ориентации (100)
Имена
Предпочтительное название IUPAC
Арсенид галлия
Идентификаторы
3D модель (JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard100.013.741 Отредактируйте это в Викиданных
Номер ЕС
  • 215-114-8
MeSHгаллий + арсенид
Номер RTECS
  • LW8800000
UNII
Номер ООН1557
Свойства
GaAs
Молярная масса144,645 г / моль[1]
ВнешностьСерые кристаллы[1]
Запахпохож на чеснок при увлажнении
Плотность5,3176 г / см3[1]
Температура плавления 1238 ° С (2260 ° F, 1511 К)[1]
нерастворимый
Растворимостьрастворим в HCl
не растворим в этиловый спирт, метанол, ацетон
Ширина запрещенной зоны1,441 эВ (при 300 К)[2]
Электронная подвижность9000 см2/ (В · с) (при 300 К)[2]
-16.2×10−6 cgs[3]
Теплопроводность0,56 Вт / (см · К) (при 300 К)[4]
3.3[3]
Структура[4]
Цинковая обманка
Т2d-F-43м
а = 565,315 вечера
Тетраэдр
Линейный
Опасности
Паспорт безопасностиВнешний паспорт безопасности материалов
Пиктограммы GHSGHS08: Опасность для здоровья
Сигнальное слово GHSОпасность
H350, H372, H360F
P261, P273, P301 + 310, P311, P501
NFPA 704 (огненный алмаз)
Родственные соединения
Другой анионы
Нитрид галлия
Фосфид галлия
Антимонид галлия
Если не указано иное, данные для материалов приведены в их стандартное состояние (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
☒N проверить (что проверятьY☒N ?)
Ссылки на инфобоксы

Арсенид галлия (GaAs) Это III-V прямая запрещенная зона полупроводник с цинковая обманка Кристальная структура.

Арсенид галлия используется в производстве таких устройств, как микроволновая печь частота интегральные схемы, монолитные СВЧ интегральные схемы, инфракрасный светодиоды, лазерные диоды, солнечные батареи и оптические окна.[5]

GaAs часто используется в качестве материала подложки для эпитаксиального роста других полупроводников AIIIBV, включая арсенид галлия индия, арсенид алюминия-галлия и другие.

Подготовка и химия

В составе галлий имеет +03 степень окисления. Арсенид галлия монокристаллы можно получить тремя производственными процессами:[5]

  • Процесс вертикального градиентного замораживания (VGF) (большинство пластин GaAs производятся с использованием этого процесса).[6]
  • Рост кристаллов с использованием печи с горизонтальной зоной в Техника Бриджмена-Стокбаргера, в котором пары галлия и мышьяка вступают в реакцию, а свободные молекулы осаждаются на затравочном кристалле в более холодном конце печи.
  • Инкапсулированная жидкость Чохральский (LEC) выращивание используется для получения монокристаллов высокой чистоты, которые могут проявлять полуизолирующие характеристики (см. Ниже).

К альтернативным методам получения пленок GaAs относятся:[5][7]

Окисление GaAs происходит на воздухе, что ухудшает характеристики полупроводника. Поверхность можно пассивировать, нанеся кубический сульфид галлия (II) слой с использованием соединения сульфида трет-бутилгаллия, такого как (т
BuGaS)
7.[8]

Полуизолирующие кристаллы

В присутствии избытка мышьяка GaAs буль расти с кристаллографические дефекты; в частности, антиструктурные дефекты мышьяка (атом мышьяка на участке атома галлия внутри кристаллической решетки). Электронные свойства этих дефектов (взаимодействие с другими) вызывают Уровень Ферми быть приколот ближе к центру запрещенной зоны, так что этот кристалл GaAs имеет очень низкую концентрацию электронов и дырок. Эта низкая концентрация носителей аналогична собственному (идеально нелегированному) кристаллу, но ее гораздо проще достичь на практике. Эти кристаллы называются «полуизолирующими», поскольку они обладают высоким удельным сопротивлением 107–109 Ом · см (что довольно много для полупроводника, но все же намного ниже, чем у настоящего изолятора, такого как стекло).[9]

Травление

Влажное травление GaAs в промышленности использует окислитель, такой как пероксид водорода или бром воды,[10] и та же стратегия была описана в патенте, касающемся обработки лома компонентов, содержащих GaAs, где Ga3+
 в комплексе с гидроксамовая кислота ("HA"), например:[11]

GaAs + ЧАС
2О
2 + «HA» → «GaA» комплекс + ЧАС
3AsO
4 + 4 ЧАС
2О

Эта реакция производит мышьяковая кислота.[12]

Электроника

Цифровая логика GaAs

GaAs может использоваться для различных типов транзисторов:[13]

HBT может использоваться в интегрированная логика впрыска (Я2L) .Самый ранний используемый логический вентиль на основе GaAs Буферизованная логика на полевых транзисторах (БФЛ).[13]

С 1975 по 1995 год использовались следующие основные логические семейства:[13]

Сравнение с кремнием для электроники

Преимущества GaAs

Некоторые электронные свойства арсенида галлия превосходят свойства кремний. Имеет высшее скорость насыщенных электронов и выше подвижность электронов, что позволяет транзисторам на основе арсенида галлия работать на частотах, превышающих 250 ГГц. Устройства на основе GaAs относительно нечувствительны к перегреву из-за более широкой запрещенной зоны, а также имеют тенденцию создавать меньше шум (нарушение электрического сигнала) в электронных схемах, чем в кремниевых устройствах, особенно на высоких частотах. Это результат более высокой подвижности носителей и более низкой паразитности резистивных устройств. Эти превосходные свойства являются вескими причинами для использования схем на основе GaAs в мобильные телефоны, спутниковое связь, микроволновая связь точка-точка и более высокая частота радар системы. Он также используется при изготовлении Диоды Ганна для поколения микроволны.

Еще одно преимущество GaAs состоит в том, что он имеет прямая запрещенная зона, что означает, что его можно использовать для эффективного поглощения и излучения света. Кремний имеет непрямая запрещенная зона и поэтому относительно плохо излучает свет.

GaAs представляет собой материал с широкой прямой запрещенной зоной, обеспечивающий устойчивость к радиационным повреждениям, и является превосходным материалом для космической электроники и оптических окон в приложениях с высокой мощностью.

Из-за своей широкой запрещенной зоны чистый GaAs обладает высоким сопротивлением. В сочетании с высоким диэлектрическая постоянная, это свойство делает GaAs очень хорошей подложкой для Интегральные схемы и в отличие от Si обеспечивает естественную изоляцию между устройствами и цепями. Это сделало его идеальным материалом для монолитные СВЧ интегральные схемы (MMIC), где активные и важные пассивные компоненты могут быть легко произведены на единственном срезе GaAs.

Один из первых GaAs микропроцессоры был разработан в начале 1980-х годов RCA корпорация и считалась Программа звездных войн из Министерство обороны США. Эти процессоры были в несколько раз быстрее и на несколько порядков больше. радиационно стойкий чем их кремниевые аналоги, но были дороже.[15] Другие процессоры GaAs были реализованы суперкомпьютер продавцы Cray Computer Corporation, Выпуклый, и Alliant в попытке опередить постоянно улучшающийся CMOS микропроцессор. В конце концов, в начале 1990-х Cray построил одну машину на основе GaAs. Крей-3, но усилия не были должным образом капитализированы, и в 1995 году компания объявила о банкротстве.

Сложные слоистые структуры арсенида галлия в сочетании с арсенид алюминия (AlAs) или сплав AlИксGa1-хТак как можно выращивать с использованием молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE) или используя эпитаксия из паровой фазы металлоорганических соединений (МОВПЭ). Поскольку GaAs и AlAs почти одинаковы постоянная решетки, слои имеют очень мало индуцированных напряжение, что позволяет выращивать их практически произвольно. Это обеспечивает чрезвычайно высокую производительность и высокую подвижность электронов. HEMT транзисторы и другие квантовая яма устройств.

Высказывались опасения по поводу чувствительности GaAs к тепловому повреждению, но высказывались предположения, что некоторые производители выиграют от таких ограничений, учитывая запланированное устаревание цикл, которому предназначена большая часть бытовой электроники.[16]

Преимущества кремния

Кремний имеет три основных преимущества перед GaAs для изготовления интегральных схем. Во-первых, кремния много и дешево обрабатывать в виде силикат минералы. В эффект масштаба доступность кремниевой промышленности также препятствовала внедрению GaAs.

Кроме того, кристалл Si имеет очень стабильную структуру и может быть выращен до очень большого диаметра. буль и обработан с очень хорошими урожаями. Это также довольно хороший теплопроводник, что позволяет очень плотно упаковывать транзисторы, которые должны избавляться от тепла при их работе, что очень желательно для проектирования и производства очень больших ИС. Такие хорошие механические характеристики также делают его подходящим материалом для быстро развивающейся области наноэлектроника. Естественно, поверхность GaAs не выдерживает высоких температур, необходимых для диффузии; однако жизнеспособной и активно преследуемой альтернативой с 1980-х годов была ионная имплантация.[17]

Вторым важным преимуществом Si является наличие собственного оксида (диоксид кремния, SiO2), который используется как изолятор. Диоксид кремния может быть легко включен в кремниевые схемы, и такие слои прикрепляются к нижележащему кремнию. SiO2 не только хороший изолятор (с запрещенная зона из 8,9 эВ ), но Si-SiO2 Интерфейс можно легко спроектировать так, чтобы он имел отличные электрические свойства, самое главное - низкую плотность состояний интерфейса. GaAs не имеет собственного оксида, с трудом удерживает стабильный адгезивный изолирующий слой и не обладает диэлектрической прочностью или пассивирующими свойствами поверхности Si-SiO.2.[17]

Оксид алюминия (Al2О3) был широко изучен как возможный оксид затвора для GaAs (а также InGaAs ).

Третье преимущество кремния состоит в том, что он обладает более высокой дыра подвижность по сравнению с GaAs (500 против 400 см2V−1s−1).[18] Эта высокая мобильность позволяет изготавливать высокоскоростной P-канал. полевые транзисторы, которые необходимы для CMOS логика. Поскольку в них отсутствует быстрая структура CMOS, схемы GaAs должны использовать логические стили, которые имеют гораздо более высокое энергопотребление; это сделало логические схемы на основе GaAs неспособными конкурировать с кремниевыми логическими схемами.

Для производства солнечных элементов кремний имеет относительно низкую поглощающая способность для солнечного света, это означает, что для поглощения большей части солнечного света требуется около 100 микрометров Si. Такой слой относительно прочен и прост в обращении. Напротив, поглощательная способность GaAs настолько высока, что для поглощения всего света требуется всего несколько микрометров толщины. Следовательно, тонкие пленки GaAs должны поддерживаться на материале подложки.[19]

Кремний является чистым элементом, что позволяет избежать проблем стехиометрического дисбаланса и термического несмешивания GaAs.[нужна цитата ]

Кремний имеет почти идеальную решетку; плотность примесей очень мала и позволяет создавать очень маленькие структуры (в настоящее время до 16 нм[20])[нуждается в обновлении ]. Напротив, GaAs имеет очень высокую плотность примеси,[нужна цитата ] что затрудняет создание интегральных схем с небольшими структурами, поэтому процесс 500 нм является обычным процессом для GaAs.[нужна цитата ]

Другие приложения

Тройной переход Покрытие ячеек GaAs MidSTAR-1

Транзистор использует

Транзисторы на основе арсенида галлия (GaAs) используются для мобильных телефонов и беспроводной связи. У сотовых телефонов есть сила усилители которые позволяют телефону отправлять сообщения.[21]

Солнечные батареи и детекторы

Арсенид галлия - важный полупроводниковый материал для дорогостоящего и высокоэффективного солнечные батареи и используется для монокристаллических тонкопленочные солнечные элементы и для многопереходные солнечные элементы.[22]

Первое известное оперативное использование солнечных элементов из GaAs в космосе было для Венера 3 миссия, запущенная в 1965 году. Солнечные элементы на основе GaAs, производимые компанией «Квант», были выбраны из-за их более высоких характеристик в условиях высоких температур.[23] Затем ячейки GaAs использовались для Луноходы по той же причине.

В 1970 году солнечные элементы с гетероструктурой GaAs были разработаны группой под руководством Жорес Алферов в СССР,[24][25][26] достижение гораздо более высокой эффективности. В начале 1980-х годов эффективность лучших солнечных элементов на основе GaAs превосходила эффективность обычных, кристаллический кремний на основе солнечных элементов. В 1990-х годах солнечные элементы на основе GaAs пришли на смену кремнию в качестве элемента, наиболее часто используемого для фотоэлектрические батареи для спутниковых приложений. Позже двух- и трехпереходные солнечные элементы на основе GaAs с германий и фосфид индия-галлия Слои были разработаны как основа солнечного элемента с тройным переходом, который имеет рекордную эффективность более 32% и может работать также с светом с такой концентрацией, как 2000 солнц. Этот вид солнечных батарей питал Марсоходы Дух и Возможность, который исследовал Марс поверхность. Также многие солнечные автомобили использовать GaAs в солнечных батареях.

Устройства на основе GaAs удерживают мировой рекорд по однопереходному солнечному элементу с самым высоким КПД - 29,1% (по данным на 2019 год). Такая высокая эффективность объясняется исключительно высоким качеством эпитаксиального роста GaAs, пассивацией поверхности AlGaAs,[27] и содействие вторичной переработке фотонов за счет конструкции тонких пленок.[28]

Сложные конструкции AlИксGa1-хУстройства As-GaAs, использующие квантовые ямы может быть чувствительным к инфракрасному излучению (QWIP ).

GaAs-диоды могут использоваться для регистрации рентгеновских лучей.[29]

Светоизлучающие устройства

Зонная структура GaAs. Прямой промежуток GaAs приводит к эффективному излучению инфракрасного света с энергией 1,424 эВ (~ 870 нм).

GaAs используется для производства лазерных диодов ближнего инфракрасного диапазона с 1962 года.[30] Для этих целей он часто используется в сплавах с другими полупроводниковыми соединениями.

Оптоволоконное измерение температуры

Для этого на конце оптоволоконного датчика температуры оптического волокна помещен кристалл арсенида галлия. Начиная с длины волны света 850 нм GaAs становится оптически полупрозрачным. Поскольку спектральное положение запрещенной зоны зависит от температуры, она сдвигается примерно на 0,4 нм / К. Измерительное устройство содержит источник света и устройство для спектрального определения ширины запрещенной зоны. При изменении ширины запрещенной зоны (0,4 нм / K) алгоритм вычисляет температуру (все 250 мс).[31]

Конвертеры спинового заряда

GaAs может найти применение в спинтроника поскольку его можно использовать вместо платина в преобразователи спинового заряда и может быть более настраиваемым.[32]

Безопасность

Аспекты, связанные с окружающей средой, здоровьем и безопасностью источников арсенида галлия (например, триметилгаллий и арсин ) и исследования по мониторингу промышленной гигиены металлоорганический о прекурсорах не сообщалось.[33] Калифорния перечисляет арсенид галлия как канцероген,[34] как и МАИР и ECA,[35] и он считается известным канцерогеном у животных.[36][37] С другой стороны, обзор 2013 года (финансируемый промышленностью) выступил против этих классификаций, заявив, что, когда крысы или мыши вдыхают мелкодисперсный порошок GaAs (как в предыдущих исследованиях), они заболевают раком из-за раздражения и воспаления легких, а не из-за первичный канцерогенный эффект самого GaAs - и, кроме того, мелкие порошки GaAs вряд ли будут созданы при производстве или использовании GaAs.[35]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d Хейнс, стр. 4,64
  2. ^ а б Хейнс, стр. 12,90
  3. ^ а б Хейнс, стр. 12,86
  4. ^ а б Хейнс, стр. 12,81
  5. ^ а б c Moss, S.J .; Ледвит, А. (1987). Химия полупроводниковой промышленности. Springer. ISBN  978-0-216-92005-7.
  6. ^ Scheel, Hans J .; Цугуо Фукуда. (2003). Технология выращивания кристаллов. Вайли. ISBN  978-0471490593.
  7. ^ Умный, Лесли; Мур, Элейн А. (2005). Химия твердого тела: введение. CRC Press. ISBN  978-0-7487-7516-3.
  8. ^ «Химическое осаждение из газовой фазы из единичных металлорганических прекурсоров» А. Р. Бэррон, М. Б. Пауэр, А. Н. Макиннес, А. Ф. Хепп, П. П. Дженкинс Патент США 5300320 (1994)
  9. ^ Маккласки, Мэтью Д. и Халлер, Юджин Э. (2012) Легирующие примеси и дефекты в полупроводниках, стр. 41 и 66, ISBN  978-1439831526
  10. ^ Brozel, M. R .; Стиллман, Г. Э. (1996). Свойства арсенида галлия. IEEE Inspec. ISBN  978-0-85296-885-7.
  11. ^ «Окислительное растворение арсенида галлия и отделение галлия от мышьяка» Дж. П. Коулман и Б. Ф. Монзик Патент США 4,759,917 (1988)
  12. ^ Лова, Паола; Роббиано, Валентина; Качалли, Франко; Коморетто, Давиде; Соци, Чезаре (3 октября 2018 г.). «Черный GaAs методом химического травления с использованием металла». Прикладные материалы и интерфейсы ACS. 10 (39): 33434–33440. Дои:10.1021 / acsami.8b10370. ISSN  1944-8244. PMID  30191706.
  13. ^ а б c Деннис Фишер; И. Дж. Баль (1995). Справочник по применению арсенида галлия для ИС. 1. Эльзевир. п. 61. ISBN  978-0-12-257735-2. "Очистить поиск" для просмотра страниц
  14. ^ Ye, Peide D .; Сюань, И; У, Яньцин; Сюй, Мин (2010). «Металл-оксид-полупроводники с осаждением атомного слоя с высоким содержанием k / III-V и коррелированная эмпирическая модель». В Октябрьском, Серж; Е, Пейде (ред.). Основы полупроводниковых МОП-транзисторов III-V. Springer Science & Business Media. С. 173–194. Дои:10.1007/978-1-4419-1547-4_7. ISBN  978-1-4419-1547-4.
  15. ^ Шилц, фон Юрий; Робич, Борут; Унгерер, Тео (1999). Архитектура процессора: от потока данных до суперскалярной и не только. Springer. п.34. ISBN  978-3-540-64798-0.
  16. ^ «Отсрочка действия закона Мура: микросхема milspec напишет следующую главу о вычислениях». Ars Technica. 2016-06-09. Получено 2016-06-14.
  17. ^ а б Морган, Д. В .; Доска, К. (1991). Введение в микротехнологию полупроводников (2-е изд.). Чичестер, Западный Сассекс, Англия: John Wiley & Sons. п. 137. ISBN  978-0471924784.
  18. ^ Сзе, С. М. (1985). Физика и технология полупроводниковых приборов. Джон Вили и сыновья. Приложение G. ISBN  0-471-87424-8
  19. ^ Монокристаллическая тонкая пленка. Министерство энергетики США
  20. ^ Хэнди, Джим (17 июля 2013 г.) Micron NAND достигает 16 нм. thememoryguy.com
  21. ^ «Это GaAS: критически важный компонент для сетей сотовых телефонов растет в 2010 году». В поисках альфы. 15 декабря 2010 г.
  22. ^ Инь, июнь; Мигас, Дмитрий Б .; Панахандех-Фард, Маджид; Чен, Ши; Ван, Цзилонг; Лова, Паола; Соци, Чезаре (3 октября 2013 г.). «Перераспределение заряда на гетероинтерфейсах GaAs / P3HT с различной полярностью поверхности». Письма в Журнал физической химии. 4 (19): 3303–3309. Дои:10.1021 / jz401485t.
  23. ^ Strobl, G.F.X .; LaRoche, G .; Rasch, K.-D .; Эй, Г. (2009). "2: От внеземных к наземным приложениям". Высокоэффективная недорогая фотогальваника: последние разработки. Springer. Дои:10.1007/978-3-540-79359-5. ISBN  978-3-540-79359-5.
  24. ^ Алферов, Ж. И., Андреев В. М., Каган М. Б., Протасов И. И., Трофим В. Г., 1970, «Преобразователи солнечной энергии на основе p-n Al.ИксGa1-хГетеропереходы As-GaAs, ’’ Физ. Тех. Полупроводн. 4, 2378 (Сов. Phys. Полуконд. 4, 2047 (1971))
  25. ^ Нанотехнологии в энергетике. im.isu.edu.tw. 16 ноября 2005 г. (на китайском языке) с. 24
  26. ^ Нобелевская лекция от Жорес Алферов на nobelprize.org, стр. 6
  27. ^ Schnitzer, I .; и другие. (1993). «Сверхвысокая квантовая эффективность спонтанного излучения, 99,7% внутри и 72% снаружи, от двойных гетероструктур AlGaAs / GaAs / AlGaAs». Письма по прикладной физике. 62 (2): 131. Bibcode:1993АпФЛ..62..131С. Дои:10.1063/1.109348. S2CID  14611939.
  28. ^ Ван, X .; и другие. (2013). «Дизайн солнечных элементов из GaAs, работающих близко к пределу Шокли – Кайссера». Журнал IEEE по фотогальванике. 3 (2): 737. Дои:10.1109 / JPHOTOV.2013.2241594. S2CID  36523127.
  29. ^ Отчет университета Глазго о детекторе ЦЕРН. Ppewww.physics.gla.ac.uk. Проверено 16 октября 2013.
  30. ^ Холл, Роберт Н.; Fenner, G.E .; Kingsley, J.D .; Солтис, Т. Дж. И Карлсон, Р. О. (1962). «Когерентное излучение света из переходов GaAs». Письма с физическими проверками. 9 (9): 366–369. Bibcode:1962ПхРвЛ ... 9..366Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.9.366.CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка на сайт)
  31. ^ Новый волоконно-оптический термометр и его применение для управления процессами в сильных электрических, магнитных и электромагнитных полях. optocon.de (PDF; 2,5 МБ)
  32. ^ GaAs составляет основу перестраиваемой спинтроники. complexsemiconductor.net. Сентябрь 2014 г.
  33. ^ Шенай-Хатхате, Д В; Гойетт, Р. ДиКарло, Р. Л; Дриппс, Г. (2004). «Вопросы окружающей среды, здоровья и безопасности для источников, используемых при выращивании сложных полупроводников MOVPE». Журнал роста кристаллов. 272 (1–4): 816–821. Bibcode:2004JCrGr.272..816S. Дои:10.1016 / j.jcrysgro.2004.09.007.
  34. ^ «Химические вещества, внесенные в список с 1 августа 2008 г. как известные в штате Калифорния вызывающие рак или репродуктивную токсичность: арсенид галлия, гексафторацетон, закись азота и диоксид винилциклогексена». OEHHA. 2008-08-01.
  35. ^ а б Bomhard, E.M .; Gelbke, H .; Schenk, H .; Уильямс, Г. М .; Коэн, С. М. (2013). «Оценка канцерогенности арсенида галлия». Критические обзоры в токсикологии. 43 (5): 436–466. Дои:10.3109/10408444.2013.792329. PMID  23706044. S2CID  207505903.
  36. ^ «Технический отчет NTP об исследованиях токсикологии и канцерогенеза арсенида галлия (Cas No. 1303-00-0) у крыс F344 / N и мышей B6c3f1 (исследования при вдыхании)» (PDF). Министерство здравоохранения и социальных служб США: Служба общественного здравоохранения: Национальные институты здравоохранения. Сентябрь 2000 г.
  37. ^ «Паспорт безопасности: арсенид галлия». Сигма-Олдрич. 2015-02-28.

Цитированные источники

внешние ссылки