Arsenieto de gálio - Gallium arsenide

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Arsenieto de gálio
Amostras de arsenieto de gálio
Arsenieto de gálio (GaAs) 2 "wafer.jpg
Wafer GaAs de orientação (100)
Nomes
Nome IUPAC preferido
Arsenieto de gálio
Identificadores
Modelo 3D ( JSmol )
ChemSpider
ECHA InfoCard 100.013.741 Edite isso no Wikidata
Número EC
Malha gálio + arseneto
Número RTECS
UNII
Número ONU 1557
  • InChI = 1S / AsH3.Ga.3H / h1H3 ;;;; ☒N
    Chave: SHVQQKYXGUBHBI-UHFFFAOYSA-N ☒N
  • [Ga] # [As]
  • [Ga + 3]. [As-3]
Propriedades
GaAs
Massa molar 144,645 g / mol
Aparência Cristais cinza
Odor como alho quando umedecido
Densidade 5,3176 g / cm 3
Ponto de fusão 1.238 ° C (2.260 ° F; 1.511 K)
insolúvel
Solubilidade solúvel em HCl
insolúvel em etanol , metanol , acetona
Gap de banda 1,441 eV (a 300 K)
Mobilidade de elétrons 9000 cm 2 / (V · s) (a 300 K)
-16,2 × 10 - 6 cgs
Condutividade térmica 0,56 W / (cm · K) (a 300 K)
3,3
Estrutura
Blenda de zinco
T 2 d - F -4 3m
a  = 565,315 pm
Tetraédrico
Linear
Perigos
Ficha de dados de segurança MSDS externo
Pictogramas GHS GHS08: Risco para a saúde
Palavra-sinal GHS Perigo
H350 , H372 , H360F
P261 , P273 , P301 + 310 , P311 , P501
NFPA 704 (diamante de fogo)
3
0
0
Compostos relacionados
Outros ânions
Nitreto de
gálio Fosfeto de gálio Antimoneto de
gálio
Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referências da Infobox

O arsenieto de gálio ( GaAs ) é um semicondutor de gap direto III-V com uma estrutura de cristal de blenda de zinco .

Arsenieto de gálio é usado no fabrico de dispositivos, tais como micro-ondas de frequências circuitos integrados , circuitos integrados de microondas monolíticos , infravermelhos diodos emissores de luz , diodos laser , células solares e janelas ópticas.

GaAs é frequentemente usado como um material de substrato para o crescimento epitaxial de outros semicondutores III-V, incluindo arseneto de gálio e índio, arsenieto de gálio e alumínio e outros.

Preparação e química

No composto, o gálio tem um estado de oxidação +03 . Cristais únicos de arsenieto de gálio podem ser preparados por três processos industriais:

  • O processo de congelamento de gradiente vertical (VGF) (a maioria dos wafers de GaAs são produzidos usando este processo).
  • Crescimento de cristal usando um forno de zona horizontal na técnica Bridgman-Stockbarger , em que os vapores de gálio e arsênio reagem e as moléculas livres se depositam em um cristal de semente na extremidade mais fria do forno.
  • O crescimento de Czochralski encapsulado em líquido (LEC) é usado para a produção de cristais únicos de alta pureza que podem exibir características semisolantes (ver abaixo).

Métodos alternativos para a produção de filmes de GaAs incluem:

A oxidação do GaAs ocorre no ar, degradando o desempenho do semicondutor. A superfície pode ser passivada depositando uma camada de sulfeto de gálio cúbico (II) usando um composto de sulfeto de terc-butil gálio, como (t
BuGaS)
7.

Cristais semi-isolantes

Na presença de excesso de arsénio, GaAs bocha crescer com defeitos cristalogricos ; especificamente, defeitos de anti-local de arsênio (um átomo de arsênio em um local de átomo de gálio dentro da rede cristalina). As propriedades eletrônicas desses defeitos (interagindo com outros) fazem com que o nível de Fermi seja fixado próximo ao centro do gap, de modo que esse cristal de GaAs tenha concentração muito baixa de elétrons e buracos. Esta baixa concentração de portadores é semelhante a um cristal intrínseco (perfeitamente não dopado), mas muito mais fácil de ser alcançada na prática. Esses cristais são chamados de "semi-isolantes", refletindo sua alta resistividade de 10 7 –10 9 Ω · cm (que é bastante alta para um semicondutor, mas ainda muito mais baixa do que um verdadeiro isolante como o vidro).

Gravura

Molhada gravura de GaAs utiliza industrialmente um agente oxidante tal como peróxido de hidrogénio ou de bromo água, e a mesma estratégia tem sido descrito em uma patente relativa ao processamento de componentes de sucata contendo GaAs onde o Ga3+
é complexado com um ácido hidroxâmico ("HA"), por exemplo:

GaAs + H
2O
2+ "HA" → complexo "GaA" + H
3AsO
4+ 4 H
2O

Essa reação produz ácido arsênico .

Eletrônicos

Lógica digital GaAs

GaAs pode ser usado para vários tipos de transistores:

O HBT pode ser usado em lógica de injeção integrada (I 2 L).

A primeira porta lógica GaAs usava Buffered FET Logic (BFL).

De c.  1975 a 1995, as principais famílias lógicas utilizadas foram:

Comparação com silício para eletrônicos

Vantagens do GaAs

Algumas propriedades eletrônicas do arsenieto de gálio são superiores às do silício . Ele tem uma velocidade de elétron saturada mais alta e uma mobilidade de elétrons mais alta , permitindo que os transistores de arseneto de gálio funcionem em frequências superiores a 250 GHz. Dispositivos GaAs são relativamente insensíveis ao superaquecimento, devido ao seu gap de energia mais amplo, e também tendem a criar menos ruído (perturbação em um sinal elétrico) em circuitos eletrônicos do que dispositivos de silício, especialmente em altas frequências. Isso é resultado de maiores mobilidades de portadores e menos parasitas de dispositivos resistivos. Essas propriedades superiores são razões convincentes para usar o circuito GaAs em telefones celulares , comunicações por satélite , links ponto a ponto de micro-ondas e sistemas de radar de alta frequência . Também é utilizado na fabricação de diodos Gunn para geração de microondas .

Outra vantagem do GaAs é que ele tem um gap direto , o que significa que pode ser usado para absorver e emitir luz com eficiência. O silício tem uma lacuna de banda indireta e, portanto, é relativamente pobre em emitir luz.

Como um material de banda larga direta com resistência resultante a danos por radiação, GaAs é um excelente material para eletrônicos do espaço sideral e janelas ópticas em aplicações de alta potência.

Por causa de sua ampla lacuna de banda, o GaAs puro é altamente resistivo. Combinada com uma alta constante dielétrica , esta propriedade torna o GaAs um substrato muito bom para circuitos integrados e, ao contrário do Si, fornece isolamento natural entre dispositivos e circuitos. Isso o tornou um material ideal para circuitos integrados de micro-ondas monolíticos (MMICs), onde componentes ativos e passivos essenciais podem ser produzidos prontamente em uma única fatia de GaAs.

Um dos primeiros microprocessadores GaAs foi desenvolvido no início dos anos 1980 pela RCA corporation e foi considerado para o programa Star Wars do Departamento de Defesa dos Estados Unidos . Esses processadores eram várias vezes mais rápidos e várias ordens de magnitude mais resistentes à radiação do que seus equivalentes de silício, mas eram mais caros. Outros processadores GaAs foram implementados pelos fornecedores de supercomputadores Cray Computer Corporation , Convex e Alliant em uma tentativa de ficar à frente do microprocessador CMOS cada vez melhor . Cray acabou construindo uma máquina baseada em GaAs no início dos anos 1990, o Cray-3 , mas o esforço não foi capitalizado de forma adequada e a empresa pediu falência em 1995.

Estruturas complexas em camadas de arsenieto de gálio em combinação com arsenieto de alumínio (AlAs) ou a liga Al x Ga 1 − x As podem ser cultivadas usando epitaxi de feixe molecular (MBE) ou usando epitaxi de fase de vapor metalorgânico (MOVPE). Como GaAs e AlAs têm quase a mesma constante de rede , as camadas têm muito pouca deformação induzida , o que permite que cresçam quase que arbitrariamente em espessura. Isso permite transistores HEMT de desempenho extremamente alto e alta mobilidade de elétrons e outros dispositivos de poços quânticos .

GaAs é usado para amplificadores de potência de radar monolíticos (mas GaN pode ser menos suscetível a danos por calor).

Vantagens do silício

O silício tem três vantagens principais sobre o GaAs para a fabricação de circuitos integrados. Primeiro, o silício é abundante e barato para processar na forma de minerais de silicato . As economias de escala disponíveis para a indústria de silício também têm dificultado a adoção do GaAs.

Além disso, um cristal de Si tem uma estrutura muito estável e pode ser cultivado em boules de diâmetro muito grande e processado com rendimentos muito bons. É também um condutor térmico bastante bom, permitindo, assim, um empacotamento muito denso de transistores que precisam se livrar do calor de operação, tudo muito desejável para o projeto e fabricação de CIs muito grandes . Essas boas características mecânicas também o tornam um material adequado para o campo de rápido desenvolvimento da nanoeletrônica . Naturalmente, uma superfície de GaAs não pode suportar as altas temperaturas necessárias para a difusão; entretanto, uma alternativa viável e ativamente buscada a partir da década de 1980 era a implantação de íons.

A segunda grande vantagem do Si é a existência de um óxido nativo ( dióxido de silício , SiO 2 ), que é usado como isolante . O dióxido de silício pode ser incorporado facilmente aos circuitos de silício, e essas camadas são aderentes ao silício subjacente. SiO 2 não é apenas um bom isolante (com um gap de 8,9 eV ), mas a interface Si-SiO 2 pode ser facilmente projetada para ter excelentes propriedades elétricas, mais importante, baixa densidade de estados de interface. GaAs não tem um óxido nativo, não suporta facilmente uma camada isolante aderente estável e não possui a rigidez dielétrica ou qualidades de passivação de superfície do Si-SiO 2 .

O óxido de alumínio (Al 2 O 3 ) tem sido extensivamente estudado como um possível óxido de porta para GaAs (bem como InGaAs ).

A terceira vantagem do silício é que ele possui uma maior mobilidade de orifício em comparação com GaAs (500 versus 400 cm 2 V −1 s −1 ). Essa alta mobilidade permite a fabricação de transistores de efeito de campo de canal P de alta velocidade , que são necessários para a lógica CMOS . Por não terem uma estrutura CMOS rápida, os circuitos GaAs devem usar estilos lógicos que têm um consumo de energia muito maior; isso tornou os circuitos lógicos GaAs incapazes de competir com os circuitos lógicos de silício.

Para a fabricação de células solares, o silício tem uma capacidade de absorção relativamente baixa para a luz solar, o que significa que cerca de 100 micrômetros de Si são necessários para absorver a maior parte da luz solar. Essa camada é relativamente robusta e fácil de manusear. Em contraste, a absortividade do GaAs é tão alta que apenas alguns micrômetros de espessura são necessários para absorver toda a luz. Consequentemente, os filmes finos de GaAs devem ser suportados em um material de substrato.

O silício é um elemento puro, evitando os problemas de desequilíbrio estequiométrico e desmistura térmica de GaAs.

O silício tem uma estrutura quase perfeita; a densidade de impurezas é muito baixa e permite a construção de estruturas muito pequenas (até 5 nm na produção comercial em 2020). Em contraste, GaAs tem uma densidade de impureza muito alta, o que torna difícil construir circuitos integrados com estruturas pequenas, então o processo de 500 nm é um processo comum para GaAs.

O silício tem cerca de três vezes a condutividade térmica do GaAs, com menos risco de superaquecimento local em dispositivos de alta potência.

Outras aplicações

Células de GaAs de junção tripla cobrindo MidSTAR-1

Transistor usa

Os transistores de arsenieto de gálio (GaAs) são usados ​​nos amplificadores de potência de RF para telefones celulares e comunicação sem fio.

Células solares e detectores

O arsenieto de gálio é um importante material semicondutor para células solares de alto custo e alta eficiência e é usado para células solares de filme fino monocristalino e para células solares de multijunção .

O primeiro uso operacional conhecido de células solares GaAs no espaço foi para a missão Venera 3 , lançada em 1965. As células solares GaAs, fabricadas pela Kvant, foram escolhidas devido ao seu melhor desempenho em ambientes de alta temperatura. As células GaAs foram então usadas para os rovers Lunokhod pelo mesmo motivo.

Em 1970, as células solares de heteroestrutura GaAs foram desenvolvidas pela equipe liderada por Zhores Alferov na URSS , alcançando eficiências muito maiores. No início dos anos 1980, a eficiência das melhores células solares de GaAs superava a das células solares convencionais à base de silício cristalino . Na década de 1990, as células solares GaAs substituíram o silício como o tipo de célula mais comumente usado em matrizes fotovoltaicas para aplicações de satélite. Mais tarde, células solares de junção dupla e tripla baseadas em GaAs com camadas de fosfeto de gálio e germânio foram desenvolvidas como base de uma célula solar de junção tripla, que manteve uma eficiência recorde de mais de 32% e pode operar também com luz concentrada como 2.000 sóis. Este tipo de célula solar alimentou o Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity , que explorou a superfície de Marte . Além disso, muitos carros solares utilizam GaAs em painéis solares.

Os dispositivos baseados em GaAs detêm o recorde mundial para a célula solar de junção única de maior eficiência com 29,1% (em 2019). Essa alta eficiência é atribuída ao crescimento epitaxial de GaAs de extrema alta qualidade, à passivação da superfície pelos AlGaAs e à promoção da reciclagem de fótons pelo projeto de filme fino.

Projetos complexos de dispositivos Al x Ga 1-x As-GaAs usando poços quânticos podem ser sensíveis à radiação infravermelha ( QWIP ).

Os diodos GaAs podem ser usados ​​para a detecção de raios-X.

Dispositivos emissores de luz

Estrutura da banda de GaAs. O gap direto de GaAs resulta na emissão eficiente de luz infravermelha em 1,424 eV (~ 870 nm).

GaAs tem sido usado para produzir diodos de laser infravermelho próximo desde 1962. É frequentemente usado em ligas com outros compostos semicondutores para essas aplicações.

Medição de temperatura de fibra óptica

Para este propósito, uma ponta de fibra óptica de um sensor de temperatura de fibra óptica é equipada com um cristal de arseneto de gálio. Começando com um comprimento de onda de luz de 850 nm GaAs torna-se opticamente translúcido. Uma vez que a posição espectral do gap é dependente da temperatura, ela muda cerca de 0,4 nm / K. O dispositivo de medição contém uma fonte de luz e um dispositivo para a detecção espectral do gap. Com a mudança do intervalo de banda, (0,4 nm / K) um algoritmo calcula a temperatura (todos 250 ms).

Conversores de carga giratória

GaAs pode ter aplicações em spintrônica , pois pode ser usado em vez de platina em conversores de carga de spin e pode ser mais sintonizável.

Segurança

Os aspectos ambientais, de saúde e segurança de fontes de arseneto de gálio (como trimetilgálio e arsina ) e estudos de monitoramento de higiene industrial de precursores metalorgânicos foram relatados. A Califórnia lista o arsenieto de gálio como cancerígeno , assim como o IARC e o ECA , e é considerado um conhecido cancerígeno em animais. Por outro lado, uma revisão de 2013 (financiada pela indústria) argumentou contra essas classificações, dizendo que quando ratos ou camundongos inalam pós finos de GaAs (como em estudos anteriores), eles contraem câncer por causa da irritação e inflamação pulmonar resultante, em vez de um efeito carcinogênico primário do próprio GaAs - e que, além disso, pós finos de GaAs provavelmente não serão criados na produção ou uso de GaAs.

Veja também

Referências

Fontes citadas

links externos