Галиум арсенид

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.
1 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 ( .
1.1 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 <sup>7</sup> – 10 <sup>9</sup> Ω·cm (што е доста висока за полупроводници, но сепак многу помала од вистински изолатор како стакло).
1.2 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:: GaAs + + „HA“ → комплекс „GaA“ + + 4
Оваа реакција произведува арсенска киселина.
2 Електроника
2.1 GaAs дигитална логика
GaAs може да се користи за различни типови на транзистори:* 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 <sup>2</sup> 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)
2.2 Споредба со силикон за електроника
2.2.1 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>x</sub> Ga <sub>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).
2.2.2 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, <sub>SiO2</sub> ), кој се користи како изолатор. Силиконскиот диоксид лесно може да се вгради во силиконските кола, а таквите слоеви се прилепуваат на основниот силикон. SiO<sub>2</sub> не е само добар изолатор (со 8,9 eV ), туку интерфејсот Si-SiO <sub>2</sub> 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- <sub>SiO2</sub>.
Алуминиум оксидот (Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>) 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 <sup>2</sup> V <sup>−1</sup> s <sup>−1</sup> ). 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.
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&nbsp;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.
3 Други апликации
3.1 Транзистор користи
Транзисторите на галиум арсенид (GaAs) се користат во RF засилувачите за напојување за мобилни телефони и безжична комуникација.
3.2 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.
Во 1970 година, сончевите ќелии со хетероструктура GaAs биле развиени од тимот предводен од Жорес Алферов во СССР, постигнувајќи многу повисоки ефикасни. Во раните 1980-ти, ефикасноста на најдобрите сончеви ќелии GaAs ја надминале онаа на конвенционалните сончеви ќелии базирани на кристален силикон. Во 1990-тите, сончевите ќелии GaAs го презеле силиконот како тип на ќелија што најчесто се користи за фотоволтаични низи за сателитски апликации. Подоцна, сончевите ќелии со двојна и тројна спојка базирани на GaAs со слоеви на германиум и индиум галиум фосфид биле развиени како основа на сончева ќелија со тројно спојување, која имале рекордна ефикасност од над 32 % и може да работи и со светлина концентрирана како 2.000 сонца. Овој вид на сончеви ќелии ги напојувала Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity, кои ја истражувале површината на Марс. Исто така, многу сончеви автомобили користат GaAs во сончевите низи, како и телескопот Хабл.
Уредите базирани на GaAs го држат светскиот рекорд за најефикасни сончеви ќелии со еден спој со 29,1% (од 2019 година). Оваа висока ефикасност се припишува на екстремно висококвалитетниот епитаксијален раст на GaAs, површинската пасивација од AlGaAs, и промовирањето на рециклирање на фотони со дизајнот на тенок филм. Фотоволтаиците базирани на GaAs се исто така одговорни за највисоката ефикасност (од 2022 година) на конверзија на светлината во електрична енергија, бидејќи истражувачите од Институтот за сончеви енергетски системи Фраунхофер постигнаа 68,9% ефикасност при изложување на фотоволтаична ќелија со тенок филм GaAs на монохроматска ласерска светлина со бранова должина од 858 нанометри.
Денес, повеќе-спојните GaAs ќелии имаат најголема ефикасност од постојните фотоволтаични ќелии и траекториите покажуваат дека тоа веројатно ќе продолжи да биде случај во догледна иднина. Во 2022 година, Rocket Lab открил сончева ќелија со 33,3% ефикасност врз основа на технологијата на превртена метаморфна мулти-спој (IMM). Во IMM, прво се одгледуваат материјалите кои се совпаѓаат со решетка (истите параметри на решетка), а потоа неусогласените материјали. Горната клетка, GaInP, прво се одгледува и решетката се совпаѓа со подлогата GaAs, проследена со слој од GaAs или GaInAs со минимално несовпаѓање, а последниот слој има најголемо несовпаѓање на решетки. По растот, ќелијата се монтира на секундарна рачка и се отстранува подлогата на GaAs. Главната предност на процесот IMM е тоа што превртениот раст според несовпаѓањето на решетката овозможува патека до поголема ефикасност на клетките.
Комплексните дизајни на уредите Al <sub>x</sub> Ga <sub>1−x</sub> As-GaAs кои користат квантни бунари може да бидат чувствителни на инфрацрвено зрачење ( QWIP ).
GaAs диодите може да се користат за откривање на Х-зраци.
3.2.1 Идни изгледи на сончевите ќелии GaAs
И покрај тоа што фотоволтаиците базирани на GaAs се јасни шампиони за ефикасност за сончеви ќелии, тие имаат релативно ограничена употреба на денешниот пазар. И во светското производство на електрична енергија и во светскиот капацитет за производство на електрична енергија, сончевата електрична енергија расте побрзо од кој било друг извор на гориво (ветер, хидро, биомаса и така натаму) во последната деценија. Сепак, сончевите ќелии GaAs во моментов не се усвоени за широко распространето производство на сончева електрична енергија. Ова во голема мера се должи на цената на сончевите ќелии GaAs - во вселенските апликации, потребни се високи перформанси и соодветната висока цена на постоечките GaAs технологии е прифатена. На пример, фотоволтаиците базирани на GaAs покажуваат најдобра отпорност на гама зрачење и високи температурни флуктуации, кои се од големо значење за вселенските летала. Но, во споредба со другите сончеви ќелии, сончевите ќелии III-V се за два до три реда поскапи од другите технологии како што се сончевите ќелии базирани на силикон. Примарни извори на овој трошок се трошоците за епитаксијален раст и супстратот на кој се депонира клетката.
Сончевите ќелии GaAs најчесто се произведуваат со користење на техники на епитаксијален раст како што се метално-органско хемиско таложење на пареа (MOCVD) и епитаксија на хидридната пареа фаза (HVPE). Значително намалување на трошоците за овие методи би барало подобрувања во трошоците за алат, пропусната моќ, трошоците за материјали и ефикасноста на производството. Зголемувањето на стапката на таложење може да ги намали трошоците, но ова намалување на трошоците би било ограничено со фиксните времиња во другите делови од процесот како што се ладењето и греењето.
Подлогата што се користи за одгледување на овие сончеви ќелии е обично германиум или галиум арсенид, кои се особено скапи материјали. Еден од главните начини за намалување на трошоците за подлогата е повторното користење на подлогата. Раниот метод предложен за да се постигне ова е епитаксиалното подигање (ELO), но овој метод одзема време, донекаде опасен (со употреба на флуороводородна киселина ) и бара повеќе чекори по обработката. Сепак, предложени се и други методи кои користат материјали базирани на фосфиди и хлороводородна киселина за да се постигне ELO со површинска пасивација и минимални остатоци од гребење и овозможува директна повторна употреба на подлогата GaAs. Исто така, постојат прелиминарни докази дека распарчувањето може да се користи за отстранување на подлогата за повторна употреба. Алтернативен пат за намалување на цената на подлогата е да се користат поевтини материјали, иако материјалите за оваа апликација во моментов не се комерцијално достапни или развиени.
Уште едно размислување за намалување на трошоците за сончеви ќелии GaAs може да биде фотоволтаикот на концентраторот. Концентраторите користат леќи или параболични огледала за да ја фокусираат светлината на сончева ќелија, и затоа е потребна помала (а со тоа и поевтина) сончева ќелија GaAs за да се постигнат истите резултати. Концентраторските системи имаат најголема ефикасност од постојните фотоволтаици.
Така, технологиите како што се фотоволтаичните концентратори и методите во развој за намалување на епитаксиалниот раст и трошоците за подлогата може да доведат до намалување на цената на сончевите ќелии GaAs и да создадат пат за употреба во копнени апликации.
3.3 Уреди за емисија на светлина
GaAs се користи за производство на блиску инфрацрвени ласерски диоди од 1962 година Често се користи во легури со други полупроводнички соединенија за овие апликации.
GaA од ''N'' -тип допингувани со атоми на донори на силициум (на Ga места) и атоми на бор-акцептор (на места As) реагира на јонизирачко зрачење со емитување фотони за сцинтилација. На криогени температури, тој е меѓу најсветлите сцинтилатори познати и е ветувачки кандидат за откривање на ретки електронски возбудувања од темната материја во интеракција, поради следните шест суштински фактори:
# Силиконските донорски електрони во GaAs имаат енергија на врзување која е меѓу најниската од сите познати полупроводници од ''n'' -тип. Слободните електрони над на cm <sup>3</sup> не се „замрзнати“ и остануваат делокализирани на криогени температури.# Борот и галиумот се елементи од III група, така што борот како нечистотија примарно го зазема местото на галиумот. Сепак, доволен број го окупира местото на арсен и дејствува како акцептори кои ефикасно ги заробуваат дупките за настанот на јонизација од валентниот опсег.# Откако ќе се зароби дупката на настанот на јонизација од валентниот опсег, борните акцептори може радијативно да се комбинираат со делокализирани донорски електрони за да произведат фотони 0,2 eV под криогенската енергија на јазот на појасот (1,52 eV). Ова е ефикасен радијативен процес кој произведува фотони за сцинтилација кои не се апсорбираат од кристалот GaAs.# Нема последователен сјај, бидејќи метастабилните зрачни центри брзо се уништуваат од страна на делокализираните електрони. Ова е потврдено со недостатокот на топлински индуцирана луминисценција.#''N'' -типот GaAs има висок индекс на прекршување (~ 3,5) и коефициентот на апсорпција со тесен зрак е пропорционален на густината на слободниот електрон и обично неколку на cm. Некој би очекувал дека скоро сите фотони на сцинтилација треба да бидат заробени и апсорбирани во кристалот, но тоа не е така. Едно можно објаснување со користење на сликата „фотон како честичка“ е дека ''n'' -типот GaAs е метален и фотоните се апсорбираат и веднаш се реемитираат како што би се случиле од делокализираните електрони во металното огледало. Бидејќи делокализираните електрони се распределени низ кристалот GaAs (наместо да лежат во рамнина), фотоните повторно се емитуваат во случајни агли и на тој начин се способни да избегаат од заробувањето со целосна внатрешна рефлексија. Пресеците за делокализираните електрони во двете ситуации се слични (околу 10 <sup>−17</sup> cm <sup>2</sup> ). .
#''N'' -типот GaAs(Si,B) комерцијално се одгледува како кристални инготи од 10 kg и се сече на тенки наполитанки како подлоги за електронски кола. Бор оксид се користи како инкапсулант за да се спречи губењето на арсен за време на растот на кристалите, но исто така има корист од обезбедувањето борни акцептори за сцинтилација.
3.4 Мерење на температурата со оптички влакна
За таа цел, врвот на оптичките влакна на температурниот сензор со оптички влакна е опремен со кристал на галиум арсенид. Почнувајќи од светлосна бранова должина од 850 nm GaAs станува оптички проѕирен. Бидејќи спектралната позиција на јазот на опсегот зависи од температурата, таа се поместува за околу 0,4 nm/K. Мерниот уред содржи извор на светлина и уред за спектрално откривање на јазот на опсегот. Со промената на јазот на опсегот, (0,4 nm/K) алгоритам ја пресметува температурата (сите 250 ms).
3.5 Конвертори со спин-полнење
GaAs може да има примена во спинтрониката бидејќи може да се користи наместо платина во конверторите со вртење-полнење и може да биде повеќе приспособлив.
4 Безбедност
Пријавени се аспекти на животната средина, здравјето и безбедноста на изворите на галиум арсенид (како што се триметилгалиум и арсин ) и студии за следење на индустриската хигиена на металоргански прекурсори. Калифорнија го наведува галиум арсенидот како канцероген, како и IARC и ECA, и се смета за познат канцероген кај животните. Од друга страна, прегледот од 2013 година (финансиран од индустријата) се расправал против овие класификации, велејќи дека кога стаорците или глувците вдишуваат фини прашоци од GaAs (како и во претходните студии), тие добиваат рак поради иритација и воспаление на белите дробови, наместо од примарен канцероген ефект на самиот GaAs - и дека, згора на тоа, малите прашоци GaAs најверојатно нема да се создадат при производството или употребата на GaAs.
5 Цитирани извори
*