El arseniuro de galio ( GaAs ) es un semiconductor de banda prohibida directa III-V con una estructura cristalina de mezcla de zinc .
Oblea de GaAs de orientación (100) | |
Nombres | |
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Nombre IUPAC preferido Arseniuro de galio | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.013.741 |
Número CE |
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Malla | galio + arseniuro |
PubChem CID | |
Número RTECS |
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UNII | |
un numero | 1557 |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
GaAs | |
Masa molar | 144,645 g / mol [1] |
Apariencia | Cristales grises [1] |
Olor | como el ajo cuando se humedece |
Densidad | 5,3176 g / cm 3 [1] |
Punto de fusion | 1.238 ° C (2.260 ° F; 1.511 K) [1] |
insoluble | |
Solubilidad | soluble en HCl insoluble en etanol , metanol , acetona |
Brecha de banda | 1,441 eV (a 300 K) [2] |
Movilidad de electrones | 9000 cm 2 / (V · s) (a 300 K) [2] |
-16,2 × 10 - 6 cgs [3] | |
Conductividad térmica | 0,56 W / (cm · K) (a 300 K) [4] |
Índice de refracción ( n D ) | 3.3 [3] |
Estructura [4] | |
Estructura cristalina | Blenda de zinc |
Grupo espacial | T 2 d - F -4 3m |
Constante de celosía | a = 565,315 pm |
Geometría de coordinación | Tetraédrico |
Forma molecular | Lineal |
Peligros | |
Ficha de datos de seguridad | MSDS externa |
Pictogramas GHS | |
Palabra de señal GHS | Peligro |
Declaraciones de peligro GHS | H350 , H372 , H360F |
Consejos de prudencia del SGA | P261 , P273 , P301 + 310 , P311 , P501 |
NFPA 704 (diamante de fuego) | 3 0 0 |
Compuestos relacionados | |
Otros aniones | Nitruro de galio Fosfuro de galio Antimonuro de galio |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
El arseniuro de galio se utiliza en la fabricación de dispositivos tales como circuitos integrados de frecuencia de microondas , circuitos integrados de microondas monolíticos , diodos emisores de luz infrarroja , diodos láser , células solares y ventanas ópticas. [5]
El GaAs se utiliza a menudo como material de sustrato para el crecimiento epitaxial de otros semiconductores III-V, incluidos el arseniuro de indio y galio , el arseniuro de aluminio y galio y otros.
Preparación y química
En el compuesto, el galio tiene un estado de oxidación de +03 . Los monocristales de arseniuro de galio se pueden preparar mediante tres procesos industriales: [5]
- El proceso de congelación de gradiente vertical (VGF) (la mayoría de las obleas de GaAs se producen mediante este proceso). [6]
- Crecimiento de cristales utilizando un horno de zona horizontal en la técnica de Bridgman-Stockbarger , en el que reaccionan los vapores de galio y arsénico y las moléculas libres se depositan en un cristal semilla en el extremo más frío del horno.
- El crecimiento de Czochralski (LEC) encapsulado en líquido se utiliza para producir monocristales de alta pureza que pueden exhibir características de semi-aislamiento (ver más abajo).
Los métodos alternativos para producir películas de GaAs incluyen: [5] [7]
- Reacción VPE de galio metálico gaseoso y tricloruro de arsénico : 2 Ga + 2 AsCl
3→ 2 GaAs + 3 Cl
2 - Reacción MOCVD de trimetilgalio y arsina : Ga (CH
3)
3+ Ceniza
3→ GaAs + 3 canales
4 - Epitaxia de haz molecular (MBE) de galio y arsénico : 4 Ga + As
4→ 4 GaAs o 2 Ga + As
2 → 2 GaAs
La oxidación de GaAs ocurre en el aire, degradando el desempeño del semiconductor. La superficie puede pasivarse depositando una capa cúbica de sulfuro de galio (II) utilizando un compuesto de sulfuro de terc-butil galio como (t
BuGaS)
7. [8]
Cristales semi-aislantes
En presencia de exceso de arsénico, las bolas de GaAs crecen con defectos cristalográficos ; específicamente, defectos de antisita de arsénico (un átomo de arsénico en un sitio de átomo de galio dentro de la red cristalina). Las propiedades electrónicas de estos defectos (interactuando con otros) hacen que el nivel de Fermi se fije cerca del centro de la banda prohibida, de modo que este cristal de GaAs tiene una concentración muy baja de electrones y huecos. Esta baja concentración de portadores es similar a un cristal intrínseco (perfectamente sin dopar), pero mucho más fácil de lograr en la práctica. Estos cristales se denominan "semi-aislantes", lo que refleja su alta resistividad de 10 7 –10 9 Ω · cm (que es bastante alta para un semiconductor, pero aún mucho más baja que la de un verdadero aislante como el vidrio). [9]
Grabando
El grabado en húmedo de GaAs utiliza industrialmente un agente oxidante como el peróxido de hidrógeno o el agua de bromo , [10] y la misma estrategia se ha descrito en una patente relacionada con el procesamiento de componentes de desecho que contienen GaAs donde el Ga3+
está complejado con un ácido hidroxámico ("HA"), por ejemplo: [11]
- GaAs + H
2O
2+ "HA" → complejo "GaA" + H
3AsO
4+ 4 H
2O
Esta reacción produce ácido arsénico . [12]
Electrónica
Lógica digital GaAs
Los GaAs se pueden utilizar para varios tipos de transistores: [13]
- Transistor de efecto de campo de semiconductor metálico (MESFET)
- Transistor de alta movilidad de electrones (HEMT)
- Transistor de efecto de campo de unión (JFET)
- Transistor bipolar de heterounión (HBT)
- Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) [14]
El HBT se puede utilizar en lógica de inyección integrada (I 2 L). La primera puerta lógica de GaAs utilizaba lógica FET con búfer (BFL). [13]
Desde ~ 1975 hasta 1995, las principales familias lógicas utilizadas fueron: [13]
- Lógica FET acoplada a fuente (SCFL) más rápida y compleja (utilizada por TriQuint y Vitesse)
- Lógica FET capacitor-diodo (CDFL) (utilizada por Cray)
- Lógica FET de acoplamiento directo (DCFL) más simple y de menor potencia (utilizada por Vitesse para arreglos de puertas VLSI)
Comparación con silicio para electrónica
Ventajas de GaAs
Algunas propiedades electrónicas del arseniuro de galio son superiores a las del silicio . Tiene una mayor velocidad de electrones saturados y una mayor movilidad de los electrones , lo que permite que los transistores de arseniuro de galio funcionen a frecuencias superiores a 250 GHz. Los dispositivos de GaAs son relativamente insensibles al sobrecalentamiento, debido a su brecha de banda de energía más amplia, y también tienden a crear menos ruido (perturbación en una señal eléctrica) en los circuitos electrónicos que los dispositivos de silicio, especialmente a altas frecuencias. Esto es el resultado de una mayor movilidad de portadores y menores parásitos de dispositivos resistivos. Estas propiedades superiores son razones de peso para utilizar circuitos de GaAs en teléfonos móviles , comunicaciones por satélite , enlaces punto a punto de microondas y sistemas de radar de alta frecuencia . También se utiliza en la fabricación de diodos Gunn para la generación de microondas .
Otra ventaja de GaAs es que tiene una banda prohibida directa , lo que significa que puede usarse para absorber y emitir luz de manera eficiente. El silicio tiene una banda prohibida indirecta y, por lo tanto, es relativamente pobre para emitir luz.
Como material de banda prohibida amplia y directa con resistencia resultante al daño por radiación, el GaAs es un material excelente para la electrónica del espacio exterior y las ventanas ópticas en aplicaciones de alta potencia.
Debido a su amplio intervalo de banda, el GaAs puro es altamente resistivo. Combinada con una constante dieléctrica alta , esta propiedad hace que el GaAs sea un sustrato muy bueno para los circuitos integrados y, a diferencia del Si, proporciona un aislamiento natural entre dispositivos y circuitos. Esto lo ha convertido en un material ideal para circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC), donde los componentes activos y pasivos esenciales se pueden producir fácilmente en una sola rebanada de GaAs.
Uno de los primeros microprocesadores GaAs fue desarrollado a principios de la década de 1980 por la corporación RCA y fue considerado para el programa Star Wars del Departamento de Defensa de los Estados Unidos . Estos procesadores eran varias veces más rápidos y varios órdenes de magnitud más resistentes a la radiación que sus homólogos de silicio, pero eran más caros. [15] Los proveedores de supercomputadoras Cray Computer Corporation , Convex y Alliant implementaron otros procesadores GaAs en un intento de mantenerse a la vanguardia del microprocesador CMOS en constante mejora . Cray finalmente construyó una máquina basada en GaAs a principios de la década de 1990, la Cray-3 , pero el esfuerzo no se capitalizó adecuadamente y la compañía se declaró en bancarrota en 1995.
Las estructuras estratificadas complejas de arseniuro de galio en combinación con arseniuro de aluminio (AlAs) o la aleación Al x Ga 1 − x As pueden cultivarse usando epitaxia de haz molecular (MBE) o usando epitaxia de fase vapor metalorgánica (MOVPE). Debido a que GaAs y AlAs tienen casi la misma constante de celosía , las capas tienen muy poca tensión inducida , lo que les permite crecer de forma casi arbitraria. Esto permite transistores HEMT de alto rendimiento y alta movilidad de electrones y otros dispositivos de pozo cuántico .
Se han planteado preocupaciones sobre la susceptibilidad del GaAs al daño por calor, pero se ha especulado que ciertos fabricantes se beneficiarían de tales limitaciones, considerando el ciclo de obsolescencia planificado que muchos productos electrónicos de consumo están diseñados para seguir. [dieciséis]
Ventajas del silicio
El silicio tiene tres ventajas principales sobre los GaAs para la fabricación de circuitos integrados. Primero, el silicio es abundante y barato de procesar en forma de minerales de silicato . Las economías de escala disponibles para la industria del silicio también han obstaculizado la adopción de GaAs.
Además, un cristal de Si tiene una estructura muy estable y puede cultivarse a bolas de diámetro muy grande y procesarse con muy buenos rendimientos. También es un conductor térmico bastante bueno, lo que permite un empaquetamiento muy denso de transistores que necesitan deshacerse de su calor de operación, todo muy deseable para el diseño y fabricación de circuitos integrados muy grandes . Estas buenas características mecánicas también lo convierten en un material adecuado para el campo en rápido desarrollo de la nanoelectrónica . Naturalmente, una superficie de GaAs no puede soportar las altas temperaturas necesarias para la difusión; sin embargo, una alternativa viable y activamente perseguida a partir de la década de 1980 fue la implantación de iones. [17]
La segunda gran ventaja del Si es la existencia de un óxido nativo ( dióxido de silicio , SiO 2 ), que se utiliza como aislante . El dióxido de silicio se puede incorporar fácilmente a los circuitos de silicio, y tales capas se adhieren al silicio subyacente. SiO 2 no solo es un buen aislante (con un intervalo de banda de 8,9 eV ), sino que la interfaz Si-SiO 2 se puede diseñar fácilmente para que tenga excelentes propiedades eléctricas, lo más importante, baja densidad de estados de interfaz. El GaAs no tiene un óxido nativo, no soporta fácilmente una capa aislante adherente estable y no posee la rigidez dieléctrica o las cualidades pasivantes de la superficie del Si-SiO 2 . [17]
El óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) se ha estudiado ampliamente como posible óxido de entrada para GaAs (así como InGaAs ).
La tercera ventaja del silicio es que posee una mayor movilidad de orificios en comparación con GaAs (500 frente a 400 cm 2 V −1 s −1 ). [18] Esta alta movilidad permite la fabricación de transistores de efecto de campo de canal P de mayor velocidad , que son necesarios para la lógica CMOS . Debido a que carecen de una estructura CMOS rápida, los circuitos GaAs deben usar estilos lógicos que tienen un consumo de energía mucho mayor; esto ha hecho que los circuitos lógicos de GaAs no puedan competir con los circuitos lógicos de silicio.
Para la fabricación de células solares, el silicio tiene una capacidad de absorción relativamente baja para la luz solar, lo que significa que se necesitan aproximadamente 100 micrómetros de Si para absorber la mayor parte de la luz solar. Tal capa es relativamente robusta y fácil de manejar. Por el contrario, la capacidad de absorción de GaAs es tan alta que solo se necesitan unos pocos micrómetros de espesor para absorber toda la luz. En consecuencia, las películas delgadas de GaAs deben apoyarse sobre un material de sustrato. [19]
El silicio es un elemento puro, evitando los problemas de desequilibrio estequiométrico y desmezcla térmica de GaAs. [ cita requerida ]
El silicio tiene una celosía casi perfecta; La densidad de impurezas es muy baja y permite la construcción de estructuras muy pequeñas (hasta 5 nm en la producción comercial a partir de 2020 [20] ). En contraste, GaAs tiene una densidad de impurezas muy alta, [21] lo que dificulta la construcción de circuitos integrados con estructuras pequeñas, por lo que el proceso de 500 nm es un proceso común para GaAs. [ cita requerida ]
Otras aplicaciones
Usos de transistores
Los transistores de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan para teléfonos móviles y comunicaciones inalámbricas. [22]
Detectores y células solares
El arseniuro de galio es un material semiconductor importante para celdas solares de alto costo y alta eficiencia y se utiliza para celdas solares de película delgada monocristalina y para celdas solares de múltiples uniones . [23]
El primer uso operativo conocido de las células solares de GaAs en el espacio fue para la misión Venera 3 , lanzada en 1965. Las células solares de GaAs, fabricadas por Kvant, fueron elegidas por su mayor rendimiento en entornos de alta temperatura. [24] Las células GaAs se utilizaron luego para los rovers Lunokhod por la misma razón.
En 1970, las células solares de heteroestructura de GaAs fueron desarrolladas por el equipo dirigido por Zhores Alferov en la URSS , [25] [26] [27] logrando eficiencias mucho mayores. A principios de la década de 1980, la eficiencia de las mejores células solares de GaAs superó la de las células solares convencionales basadas en silicio cristalino . En la década de 1990, las células solares de GaAs sustituyeron al silicio como el tipo de célula más utilizado para matrices fotovoltaicas para aplicaciones satelitales. Más tarde, se desarrollaron células solares de unión dual y triple basadas en GaAs con capas de germanio y fosfuro de galio indio como base de una celda solar de unión triple, que mantuvo una eficiencia récord de más del 32% y puede operar también con luz concentrada. como 2.000 soles. Este tipo de célula solar impulsó el Mars Exploration Rovers Spirit y Opportunity , que exploró la superficie de Marte . Además, muchos coches solares utilizan GaA en paneles solares.
Los dispositivos basados en GaAs tienen el récord mundial de celda solar de unión única de mayor eficiencia con un 29,1% (a partir de 2019). Esta alta eficiencia se atribuye al crecimiento epitaxial de GaAs de alta calidad extrema, la pasivación de la superficie por los AlGaAs, [28] y la promoción del reciclaje de fotones mediante el diseño de película delgada. [29]
Los diseños complejos de dispositivos Al x Ga 1 − x As-GaAs que utilizan pozos cuánticos pueden ser sensibles a la radiación infrarroja ( QWIP ).
Los diodos GaAs se pueden utilizar para la detección de rayos X. [30]
Dispositivos de emisión de luz
El GaAs se ha utilizado para producir diodos láser de infrarrojo cercano desde 1962. [31] A menudo se utiliza en aleaciones con otros compuestos semiconductores para estas aplicaciones.
Medición de temperatura de fibra óptica
Para este propósito, una punta de fibra óptica de un sensor de temperatura de fibra óptica está equipada con un cristal de arseniuro de galio. A partir de una longitud de onda de luz de 850 nm, GaAs se vuelve ópticamente translúcido. Dado que la posición espectral de la banda prohibida depende de la temperatura, se desplaza aproximadamente 0,4 nm / K. El dispositivo de medición contiene una fuente de luz y un dispositivo para la detección espectral de la banda prohibida. Con el cambio de la banda prohibida (0,4 nm / K), un algoritmo calcula la temperatura (los 250 ms). [32]
Convertidores de carga giratoria
Los GaAs pueden tener aplicaciones en la espintrónica, ya que se puede usar en lugar del platino en los convertidores de carga de espín y pueden ser más ajustables. [33]
Seguridad
Se han informado los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de arseniuro de galio (como trimetilgalio y arsina ) y estudios de monitoreo de la higiene industrial de precursores metalorgánicos . [34] California enumera el arseniuro de galio como carcinógeno , [35] al igual que IARC y ECA , [36] y se considera un carcinógeno conocido en animales. [37] [38] Por otro lado, una revisión de 2013 (financiada por la industria) argumentó en contra de estas clasificaciones, diciendo que cuando las ratas o ratones inhalan polvos finos de GaAs (como en estudios anteriores), contraen cáncer por la irritación pulmonar resultante y inflamación, en lugar de un efecto carcinogénico primario del propio GaAs, y que, además, es poco probable que se creen polvos finos de GaAs en la producción o uso de GaAs. [36]
Ver también
- Arseniuro de aluminio
- Arseniuro de galio y aluminio
- Arsina
- Telururo de cadmio
- Antimonuro de galio
- Fosfuro de arseniuro de galio
- Arseniuro de galio y manganeso
- Nitruro de galio
- Fosfuro de galio
- Transistor bipolar emisor heteroestructura
- Arseniuro de indio
- Arseniuro de galio indio
- Fosfuro de indio
- Diodo emisor de luz
- MESFET (transistor de efecto de campo semiconductor de metal)
- MOVPE
- Célula solar multifunción
- Fotomezcla para generar THz
- Trimetilgalio
Referencias
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- ↑ a b Haynes, pág. 12,86
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Fuentes citadas
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enlaces externos
- Estudios de caso en medicina ambiental: toxicidad por arsénico
- Propiedades físicas del arseniuro de galio (Instituto Ioffe)
- Hechos y cifras sobre el procesamiento de arseniuro de galio