Galium arsenida

Galium arsenida (GaAs) adalah senyawa dari unsur-unsur galium dan arsenik. Ini adalah semikonduktor III-V celah pita langsung dengan struktur kristal seng blende.

Galium arsenida digunakan dalam pembuatan perangkat seperti sirkuit terintegrasi frekuensi gelombang mikro, sirkuit terpadu gelombang mikro monolitik, dioda pemancar cahaya inframerah, dioda laser, sel surya dan jendela optik.

GaAs sering digunakan sebagai bahan substrat untuk pertumbuhan epitaksial semikonduktor III-V lainnya, termasuk indium galium arsenida, aluminium galium arsenida dan lain-lain.

Penyiapan dan sifat kimia 
Di dalam senyawa, galium memiliki tingkat oksidasi +3. Kristal tunggal Galium arsenida dapat disiapkan oleh tiga proses industri:

 Proses pembekuan gradien vertikal (VGF) (kebanyakan wafer GaAs diproduksi menggunakan proses ini).
 Pertumbuhan kristal menggunakan tungku zona horizontal dalam teknik Bridgman-Stockbarger, di mana galium dan arsenik bereaksi, dan molekul-molekul bebas mengendap pada biji kristal di ujung tungku yang lebih dingin.
 Pertumbuhan Czochralski enkapsulasi cair (LEC) digunakan untuk menghasilkan kristal tunggal dengan kemurnian tinggi yang dapat menunjukkan karakteristik semi-isolasi (lihat di bawah).

Metode alternatif untuk memproduksi film GaAs meliputi:

 Reaksi VPE dari gas logam galium dan arsenik triklorida: 2 Ga + 2  → 2 GaAs + 3 
 Reaksi MOCVD trimetilgalium dan arsina:  +  → GaAs + 3 
 Molekul balok epitaksi (MBE) dari galium dan arsenik: 4 Ga +  → 4 GaAs atau 2 Ga +  → 2 GaAs

Oksidasi GaAs terjadi di udara, menurunkan kinerja semikonduktor. Permukaan dapat dipasivasi dengan mendepositkan lapisan kubus sulfat galium (II) menggunakan senyawa tert-butil gallium sulfida seperti (.

Kristal semi isolasi 
Dengan adanya arsenik berlebih, boule GaAs ditumbuhkan dengan kecacatan kristalografi; khususnya, cacat antisit arsenik (sebuah atom arsenik di dalam sebuah situs atom galium dalam kisi kristal). Sifat elektronik dari kecacatan ini (berinteraksi dengan kisi lainnya) menyebabkan level Fermi disematkan di dekat pusat celah pita, sehingga kristal GaAs ini memiliki konsentrasi elektron dan lubang yang sangat rendah. Konsentrasi pembawa rendah ini mirip dengan kristal intrinsik (tidak terdadah sempurna), tetapi jauh lebih mudah dicapai dalam praktiknya. Kristal ini disebut "semiisolasi", yang mencerminkan resistivitas tinggi dari 107-109 Ω·cm (yang cukup tinggi untuk semikonduktor, tapi masih jauh lebih rendah dari isolator sesungguhnya seperti kaca).

Punar (etching) 
Pemunaran basah GaAs secara industri menggunakan agen pengoksidasi seperti hidrogen peroksida atau air bromin  dan strategi yang sama telah dijelaskan dalam paten yang berkaitan dengan pemrosesan komponen sisa yang mengandung GaAs di mana  dikomplekskan dengan asam hidroksamat ("HA"), misalnya:

 GaAs +  + kompleks "HA" → "GaA" +  + 4 

Reaksi ini menghasilkan asam arsenik.

Elektronika

Logika digitas GaAs 
GaAs dapat digunakan untuk berbagai jenis transistor:

 Transistor efek medan logam-semikonduktor (MESFET)
 Transistor mobilitas elektron tinggi (HEMT)
 Transistor efek medan persimpangan (JFET)
 Transistor bipolar hetero (HBT)
 Transistor efek medan logam-oksida-semikonduktor (MOSFET)

HBT dapat digunakan dalam logika injeksi terintegrasi (I2L). Gerbang logika GaAs paling awal menggunakan Buffered FET Logic (BFL).

Dari 1975 hingga 1995 keluarga logika utama yang digunakan adalah:

 Source-coupled FET logic (SCFL) tercepat dan paling kompleks, (digunakan oleh TriQuint & Vitesse)
 Capacitor – diode FET logic (CDFL) (digunakan oleh Cray)
 Direct-coupled FET logic (DCFL) daya paling sederhana dan terendah (digunakan oleh Vitesse untuk array gerbang VLSI)

Perbandingan dengan silikon untuk elektronika

Keunggulan GaAs 
Beberapa sifat elektronik galium arsenida lebih unggul dari silikon. Senyawa ini memiliki kecepatan elektron jenuh dan mobilitas elektron yang lebih tinggi, memungkinkan transistor galium arsenida berfungsi pada frekuensi lebih dari 250 GHz. Perangkat GaAs relatif tidak sensitif terhadap panas berlebih, karena celah pita energinya yang lebih luas, dan juga cenderung membuat lebih sedikit derau (gangguan pada sinyal listrik) di sirkuit elektronik daripada perangkat silikon, terutama pada frekuensi tinggi. Ini adalah hasil dari mobilitas pembawa yang lebih tinggi dan parasitik perangkat resistif yang lebih rendah. Sifat superior ini merupakan alasan kuat untuk menggunakan sirkuit GaAs di ponsel, komunikasi satelit, tautan titik-ke-titik gelombang mikro dan sistem radar frekuensi tinggi. Ini juga digunakan dalam pembuatan dioda Gunn untuk pembuatan gelombang mikro.

Keuntungan lain dari GaAs adalah memiliki celah pita langsung, yang berarti dapat digunakan untuk menyerap dan memancarkan cahaya secara efisien. Silikon memiliki celah pita tidak langsung dan relatif buruk dalam memancarkan cahaya.

Sebagai meterial celah pita lebar langsung dengan resistensi yang dihasilkan terhadap kerusakan radiasi, GaAs adalah meterial yang sangat baik untuk elektronik luar angkasa dan jendela optik dalam aplikasi berdaya tinggi.

Karena memiliki celah pita yang lebar, GaAs murni sangat resistif. Dikombinasikan dengan konstanta dielektrik yang tinggi, properti ini menjadikan GaAs sebagai substrat yang sangat baik untuk sirkuit terpadu dan tidak seperti Si, GaAs menyediakan isolasi alami antara perangkat dan sirkuit. Ini telah membuatnya menjadi bahan yang ideal untuk sirkuit terpadu microwave monolitik (MMIC), di mana komponen pasif aktif dan esensial dapat dengan mudah diproduksi pada satu irisan GaAs.

Salah satu mikroprosesor GaAs pertama dikembangkan pada awal 1980-an oleh RCA dan dipertimbangkan untuk program Star Wars dari Departemen Pertahanan Amerika Serikat. Prosesor ini beberapa kali lebih cepat dan beberapa kali lipat lebih tahan radiasi daripada prosesor silikon, tetapi lebih mahal. Prosesor GaAs lainnya diimplementasikan oleh vendor superkomputer Cray Computer Corporation, Convex, dan Alliant dalam upaya untuk tetap berada di depan mikroprosesor CMOS yang terus berkembang. Cray akhirnya membangun satu mesin berbasis GaAs pada awal 1990-an, Cray-3, tetapi usaha itu tidak sukses dan perusahaan tersebut mengajukan kebangkrutan pada tahun 1995.

Struktur berlapis kompleks dari galium arsenida yang dikombinasikan dengan aluminium arsenida (AlAs) atau logam paduan AlxGa1−xAs dapat ditumbuhkan dengan menggunakan epitaksi berkas molekul (MBE) atau menggunakan epitaksi fase uap metalorganik epitaxy (MOVPE). Karena GaAs dan AlAs memiliki konstanta kisi yang hampir sama, lapisan tersebut memiliki regangan induksi sangat sedikit, yang memungkinkan mereka untuk tumbuh hampir secara sembarangan tebal. Hal ini memungkinkan transistor HEMT berkinerja sangat tinggi dan mobilitas elektron tinggi serta perangkat sumur kuantum lainnya.

Kekhawatiran atas kerentanan GaAs terhadap kerusakan akibat panas telah meningkat, tetapi ada spekulasi bahwa produsen tertentu akan mendapat manfaat dari pembatasan tersebut, mengingat siklus keusangan yang direncanakan yang dirancang untuk diikuti oleh banyak elektronik konsumen.

Lihat pula 

 Aluminium arsenida
 Aluminium galium arsenida
 Galium antimonida
 Galium nitrida
 Indium arsenida
 Kadmium telurida

Referensi 

Optoelektronika
Senyawa anorganik
Senyawa galium
Senyawa III-V