Galliumarseniid

Galliumarseniid (GaAs) on pooljuhtmaterjal, mis koosneb võrdsest kogusest galliumist ja arseenist. Ta kuulub III-V pooljuhtide rühma. Galliumarseniid on monokristallina sfaleriidi kristallstruktuuriga. Ühikraku pikkus on 0,565325 nm. Toatemperatuuril on tihedus 5,32 g/cm³. Germaaniumi ja räni monokristalle saab tänapäeval kasvatada ülisuure puhtusega. III-V rühma pooljuhtide monokristallide kasvatamisel on mõningad erinevused IV rühma pooljuhtide kasvatamisest. Galliumarseniidi monokristalle valmistatakse: Kapsuleeritud vedelikus Czochralski meetodil: toormaterjal sulatatakse tiiglis, kristalliseerumistsenter (samast materjalist monokristalli tükk) asetatakse sulamaterjali peale jahedamasse ossa, kus see aeglaselt pöörleb ja sulamaterjalist välja tõmmatakse. Sinna külge moodustub monokristall. Erinevalt räni ja germaaniumi tootmisest on GaAs peal vedel booroksiidi (B2O3) kiht, et vältida arseeni aurustumist. Bridgmani-Stockbargeri meetodil: Sarnane Czochralski meetodile, kuid sulamaterjali ei keerutata, vaid kristalliseerumine toimub sulamaterjalis temperatuuri gradiendi jahedamas osas. Kristalli kasvades alandatakse temperatuuri nii, et kristalliga kokkupuutes oleva sulamaterjali temperatuur oleks allpool sulamispiiri. Järgnevaid meetodeid kasutatakse õhukeste kilede sadestamiseks kummalgi eelnevalt mainitud meetodil kasvatatud monokristallide pinnale: Keemiline sadestamine aurufaasist: reaktsioon metalse galliumi ja arseentrikloriidi vahel: 2 Ga + 2 AsCl3 → 2 GaAs + 3 Cl2 Metallorgaaniline keemiline sadestamine aurufaasist: reaktsioon trimetüülgalliumi ja arsiini vahel: Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3 CH4 Molekulaarkimpude epitaksia: galliumi ja arseeniga: 4 Ga + As4 → 4 GaAs või 2 Ga + As2 → 2 GaAs. Galliumarseniidi sulamistäpp on 1513 K ning keskmine kõvadus on 4 ja 5 vahel Mohsi skaalal. Arseen on palju plahvatusohtlikum kui gallium või galliumarseniid. See seab piirid materjali valmistamisel kasutatavale temperatuurile. Kapsuleerimata GaAs ei soovitata üle 450 °C lõõmutada. Sellel temperatuuril hakkab arseen ühendist aurustuma ja võib põhjustada defekte. GaAs kettad lõigatakse suurest monokristallist ja selle pind poleeritakse läikivaks. Tavaliselt sisaldab galliumarseniidketas kristallograafilisi nihkeid, mis tekivad kristalli kasvul eraldunud soojusest põhjustatud termiliste pingete tõttu. Galliumarseniidkettad sisaldavad tavaliselt rohkem elektriliselt aktiivseid soovimatuid lisandeid kui ränikettad, kuna GaAs puhastamiseks pole veel loodud väga häid tehnoloogilisi lahendusi. Galliumarseniidkettaid toodetakse kõrge ruumilise tolerantsiga (±75 nm) ja suure läbimõõduga, et säilitada ühilduvust räniketaste töötlemise seadmetega. Saadud kettaid saab kasutada substraadina molekulaarkimpude epitaksias, metallorgaanilisel keemilisel sadestamisel aurufaasist või vedelikepitaksias. Neid saab kasutada ka tööstuslikult dioodide, valgusdioodide ja MESFET (metallpooljuhtide väljatransistoride) tootmiseks. Galliumarseniid on tehnoloogiliselt oluline elektriliste ja optiliste omaduste poolest. Galliumarseniidil on toatemperatuuril otsene keelutsoon laiusega 1,424 eV. Keelutsooni laiuse arvutamiseks kasutatakse enamasti temperatuurist sõltuvat funktsiooni: E k ( T ) = 1 , 519 − 5 , 405 × 10 − 4 T 2 T + 204 {\displaystyle E_{k}(T)=1,519-5,405\times 10^{-4}{\frac {T^{2}}{T+204}}} . Temperatuurivahemikus 0–1000 K eeldatakse standardhälvet 3 meV. GaAs saab kasutada oma otsese keelutsooni tõttu efektiivsete infrapunavalgusdioodide valmistamiseks. Legeerimine tähendab pooljuhtmaterjali teiste elementide lisamist. Lisandid asendavad kristallvõres aatomeid, millega võivad tekitada kas aukjuhtivust (aktseptorlisand) või juhtivuselektrone (doonorlisand). Galliumarseniidi saab legeerida nii p-tüüpi kui n-tüüpi pooljuhiks. Enamik 6. rühma elemente, näiteks telluur, seleen ja väävel on galliumarseniidis doonorid. Enamik 2. rühma elemente, näiteks tsink, magneesium ja kaadmium käituvad aktseptoritena. Neljanda rühma elemendid süsinik ja räni on galliumarseniidis amfoteersed dopandid, kuid alla 1019 cm−3 legeerimise kontsentratsioonides asendab räni galliumi võrekohti ja käitub doonorina. Samas süsinik asendab arseeni võrekohti ja käitub aktseptorina. Madala efektiivse elektronide massi tõttu on enamik doonori energiatasemeid umbes 6 meV madalamad juhtivustsooni äärest. Aktseptorite energiatasemed on palju suurema varieeruvusega, tavaliselt 30 meV kuni 250 meV kõrgemad juhtivustsooni äärest. GaAs on tähtis materjal elektroonikakomponentide tööstuses, kuna seda saab toota nii, et see on poolisoleeriv. Poolisoleerivad omadused on suur eelis teiste materialide ees, kuna see muudab seadme isoleerimise oluliselt lihtsamaks. Lisaks võimaldab väike substraadi elektriline mahtuvus ehitada kiiremaid seadmeid kui räni baasil. Poolisoleerivad omadused võimaldavad teoorias 108 Ωcm suurust takistust. Praktilistes rakendustes on suudetud saavutada vaid 107 Ωcm suurusjärgus eritakistus. Keskne probleem nii suure eritakistuse saavutamisel on fermi nivoo täpne häälestamine keelutsooni keskele. Seda saab saavutada GaAs legeerimisel sügava aktseptoriga, näiteks kroomiga, ja see kompenseerida madala doonoriga. Tänapäeval kasutatakse pigem EL2 defekte, kuna tööstusprotsessides esinevad kõrged temperatuurid muudavad kroomi dopandi paigutuse materjalis ebaühtlaseks. Galliumarseniidi kristallis võib olla elektriliselt aktiivseid punktdefekte ja joondefekte, mis mõjutavad oluliselt seadmete töövõimet. Defektide mõju suureneb seadme mõõtmete vähenemisega, eriti olulised on need MOSFET-i korral. Pooljuhi ja selle passiveeriva katte vahel esinevad defektid võivad tekitada lekkevoole. Paisu elektroodi ääres olevad pinddefektid võivad põhjustada kõrgetel sagedustel alandatud võimendust. Sisemised defektid võivad tekitada pingeläve kõikumisi. Defektide uurimiseks on välja töötatud suur hulk eksperimentaalseid tehnikaid: takistuslik mõõtmine Halli efekti uurimine DLTS (Deep level transient spectroscopy) Optiline DLTS elektron-paramagneetiline resonants fotomahtuvus positronide annihilatsioon diferentsiaalne termiline analüüs. Üksteisele lähedal olevad punktdefektid ja joondefektid võivad moodustada defektide komplekse, mida klassifitseeritakse vastavalt nende käitumisele elektriväljas. Kuigi nende defektide mõistmine on pooljuhtide tööstuse jaoks väga oluline ja äratab teadlastes suurt huvi, pole seni suudetud jõuda üldise kokkuleppeni nende olemuse suhtes. Kindlat sorti lõksud ja defektid on omased kindlatele kristalli kasvu tehnikatele. Sügava energiataseme lõkse klassifitseeritakse M0, M1, M2, M3 jne, kus tähe järel olev number tähistab aktivatsioonienergia esimese komakoha väärtust (näiteks M2 = 0,220–0,227 eV), mis kulub elektroni lõksust juhtivustsooni ergastamiseks. Sellist tüüpi defektid on tavaliselt ebasoovitavad. Elektronlõksude grupid M0, M1 ja M2 esinevad ainult molekulaarkimpude epitaksia meetodil kasvatatud kihtides. On lõkse, mis esinevad vaid elektronkiirgusega töödeldud proovides. Eriti olulised on EL2-tüüpi defektid, mis võimaldavad luua poolisoleerivaid materjale. EL2-defekti tekkepõhjuseks peetakse kristallvõres galliumi aatomit asendavat arseeni aatomit. EL2-l on metastabiilne olek, mis avaldub selles, et madalal temperatuuril 1,1 eV fotoergastusega "kaob" defekt ära ja tekib uuesti 140 K juures. DLTS mõõtmistega on kindlaks tehtud, et EL2 aktivatsioonienergia on 0,82±0,01 eV. EL2 elektronide lõksustamine toob kaasa olulisi kristallvõre moonutusi. Galliumarseniidi nanotraate saab sünteesida suures koguses ja suure puhtuseastmega, kasutades laserkatalüütilist kasvatamist. Väljaemissiooni skaneeriva ja läbivkiirguse elektronmikroskoopia uuringud näitavad, et üle 90% saagisega sünteesitud galliumarseniidi nanotraadid on monokristallid (111) kasvutelgedega (111 on kristalli Milleri indeks, mis näitab ühikraku orientatsiooni kristalli suhtes). Need nanotraadid on 3–10 nm läbimõõduga ja üle 10 μm pikkused. Fotoluminestsentsi mõõtmised näitavad, et fotoluminestsentsi tipp on nihkunud madalamale lainepikkusele kui tavalisel kristallil. Nanotraatidel on fotoluminestasentsi piik 752 nm, 794 nm ja 836 nm, tavalisel kristallil 870 nm. See tuleneb nanotraatides esinevatest kvantefektidest. Galliumarseniidi nanotraadid võimaldavad toota optiliselt aktiivseid nanostruktuurseid pinnakatteid. Üks meetod õhukese galliumarseniidi kilega päikesepaneelide toomiseks on amofoteerse germaaniumi kihile galliumarseniidi sadestamine. Substraadiks kasutatakse metallilist klaasi või planaarset räni. Amfoteerset tugevalt legeeritud germaaniumikihti kiiritatakse kõrge energiaga kiiritusega, mis tekitab kristalli kindla (001) ja (111) orientatsiooniga sadenemistsentrid. Metallorgaanilise keemilise sadestaminega aurufaasist kasvab galliumarseniidi epitaksiaalne kiht mööda pinda lateraalselt. Selle meetodiga saab toota üle 20% kasuteguriga päikesepaneele. 2012. aasta seisuga toodab väidetavalt maailma kõige suurema kasuteguriga seeriatootmises olevaid päikesepaneele ettevõte Solar Junction. Nende kasutegur on 43,5%. See on valmistatud galliumarseniidi baasil ja töötab päikesevalguse peeglite abil kontsentreerimise põhimõttel. Päikesepaneel koosneb kolmest eri lainepikkust neelavast kilest. Galliumarseniidi baasil valmistatud päikesepaneele kasutatakse satelliitides ja kosmoselaevades. Ränipäikesepaneelidega võrreldes on nad suurema kasuteguriga, mis kompenseerib kallima hinna kosmoserakedustes. D. Bloor, R.J. Brook (1994). The Encyclopedia of Advanced Materials Vol. 2. Pergamon. ISBN 0-08-040606-8. Peter Y. Yu, Manuel Cardona (1994). Fundamentals of Semiconductors: Physics and materials properties. Springer. ISBN 3-540-61461-3. Harold M. Manasevit (1968). Singlecrystal Gallium Arsenide on insulating substrates. Appl. Phys. Lett. 12. [1] W. Walukiewicz, L. Lagowski (1979). Electron mobility and free carrier absorption in GaAs: determination of compensation ratio. J. Appl. Phys. 50. J. C. Bourgoin, H. J. von Bardeleben, and D. Stiévenard (1988). Native defects in gallium arsenide. J. Appl. Phys. 64.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)[2] Peter A Schultz, O Anatole von Lilienfeld (2009). Simple intrinsic defects in gallium arsenide. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 17.[3] R. F. C. Farrow (1995). Molecular Beam Epitaxy: Applications to Key Materials. William Andrew. ISBN 0-8155-1371-2. Xiangfeng Duan, Jianfang Wang, and Charles M. Lieber (2000). Synthesis and optical properties of gallium arsenide nanowires. J. Appl. Phys. 76.{{cite book}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link)[4] Wolfgang Kruehler, Josef Grabmaier (14.04.1987). Method for the manufacture of Gallium Arsenide thin film solar cells. US Patent nr. 4,657,603. "https://web.archive.org/web/20131229072257/http://www.sj-solar.com/downloads/Solar_Junction_World_Record_%20Efficiency_14April11.pdf" (08.10.2012) Gaddy, E.M. (13.–17. mai 1996). Cost performance of multi-junction, gallium arsenide, and silicon solar cells on spacecraft. Photovoltaic Specialists Conference, 1996., Conference Record of the Twenty Fifth IEEE.