비화 갈륨

Gallium arsenide
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비화 갈륨
Samples of gallium arsenide
Gallium Arsenide (GaAs) 2" wafer.jpg
(100) 방향의 GaAs 웨이퍼
이름
우선 IUPAC 이름
비화 갈륨
식별자
3D 모델(JSmol)
켐스파이더
ECHA 정보 카드 100.013.741 Edit this at Wikidata
EC 번호
  • 215-114-8
메쉬 갈륨+황화물
RTECS 번호
  • LW8800000
유니
UN 번호 1557
  • InChI=1S/AsH3.Ga.3H/h1H3;; ☒N
    키: SHVQQKYXGUBHBI-UHFFFAOYSA-N ☒N
  • [가] #[As]
  • [Ga+3] [As-3]
특성.
GaAs
몰 질량 144.645 g/140[1]
외모 회색[1] 결정
냄새 물에 적셨을 때 마늘 같은
밀도 5.3176 g/cm3[1]
녹는점 1,238 °C (2,260 °F, 1,511 K)[1]
녹지 않다
용해성 HCl에 용해되다
에탄올, 메탄올, 아세톤에 용해되지 않는
밴드갭 1.424 eV (300 [2]K로)
전자 이동도 90002 cm/(V·s) (300 [3]K에서)
-16.2×10gs−6[4]
열전도율 0.56 W/(cm·K) (300 [5]K에서)
3.3[4]
구조[5]
아연 블렌드
T2d-F-43m
a = 565.315 pm
사면체
선형
위험 요소
GHS 라벨링:
GHS08: Health hazard
위험.
H350, H360F, H372
P261, , , , ,
NFPA 704(파이어 다이아몬드)
3
0
0
안전 데이터 시트(SDS) 외부 MSDS
관련 화합물
기타 음이온
 질화 갈륨
인화 갈륨
안티몬화 갈륨
달리 명시되지 않은 한 표준 상태(25°C[77°F], 100kPa)의 재료에 대한 데이터가 제공됩니다.

갈륨 비소(GaAs)는 아연 블렌드 결정 구조를 가진 III-V 직접 밴드 갭 반도체입니다.

갈륨 비소는 마이크로파 주파수 집적회로, 모노리식 마이크로파 집적회로, 적외선 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 태양전지, 광학창 [6]등의 장치 제조에 사용된다.

GaAs는 종종 인듐 갈륨 비소, 알루미늄 갈륨 비소 등을 포함한 다른 III-V 반도체의 에피택셜 성장을 위한 기판 재료로 사용됩니다.

조제 및 화학

이 화합물 중 갈륨은 +03의 화합물.비화 갈륨 단결정은 다음 세 가지 [6]공업 공정을 통해 제조할 수 있습니다.

  • 수직 경사 동결(VGF) 공정(대부분의 GaAs 웨이퍼는 이 [7]공정을 사용하여 생산됨)
  • 갈륨과 비소 증기가 반응하는 브리지만-스톡바거 기술에서 수평존 용해로를 사용한 결정 성장 및 자유 분자가 용해로의 냉각기 끝에 있는 종자 결정 위에 퇴적됩니다.
  • 액체 캡슐화 Czochralski(LEC) 증식은 반절연 특성을 나타낼 수 있는 고순도 단결정 생산에 사용됩니다(아래 참조).

GaAs의 필름을 제작하는 대체 방법에는 다음이 포함됩니다.[6][8]

GaAs의 산화는 공기 중에 발생하며, 이는 반도체 성능을 저하시킵니다.그 표면은 입방정 갈륨을 퇴적시킴으로써 수동화할 수 있다.II) (BuGaaS)
7[9] 등의 t
황화물(tert-butyl galium sulfide) 화합물을 이용한 황화층.

반절연 결정

과도한 비소가 존재하는 경우, GaAs 부울은 결정학적 결함, 특히 비소 안티사이트 결함(결정 격자 내의 갈륨 원자 부위의 비소 원자)과 함께 성장합니다.이러한 결함의 전자적 특성(다른 결함과의 상호작용)으로 인해 페르미 레벨이 밴드 간격의 중심 부근에 고정되므로 이 GaAs 결정은 전자와 구멍의 농도가 매우 낮습니다.이 낮은 캐리어 농도는 본질적인(완벽하게 도파되지 않은) 결정과 비슷하지만 실제로는 훨씬 더 쉽게 달성할 수 있습니다.이러한 결정을 "반절연"이라고 하는데79, 이는 10-10Ω/cm의 높은 저항률을 반영합니다(반도체치고는 매우 높지만 [10]유리와 같은 진정한 절연체보다 훨씬 낮습니다).

식각

GaAs의 습식 식각은 산업적으로 과산화수소 또는 브롬수와 [11]같은 산화제를 사용하며,[12] GaAs를 포함한3+
고철성분 처리와 관련된 특허에서 Ga가 히드록삼산(HA)과 복합화된 경우 다음과 같이 기술되어 있다.

GaAs
2
2 + HO + "HA" → "GaA" 복합체 + HASO
3
4 + 4
2 HO

이 반응은 비산을 [13]생성한다.

일렉트로닉스

GaAs 디지털 로직

GaAs는 다양한 트랜지스터 [14]유형에 사용할 수 있습니다.

HBT는 Integrated Injection Logic(IL2; 통합 주입 논리)에서 사용할 수 있습니다.

최초의 GaAs 로직게이트에서는 Buffered FET Logic(BFL)[14]이 사용되었습니다.

1975년부터 1995년까지 사용된 주요 로직 패밀리는 다음과 같습니다.[14]

전자제품용 실리콘과의 비교

GaAs의 장점

비화 갈륨의 일부 전자 특성은 실리콘의 전자 특성보다 우수합니다.더 높은 포화 전자 속도와 더 높은 전자 이동성을 가지며, 250GHz 이상의 주파수에서 갈륨 비소 트랜지스터가 작동할 수 있습니다.GaAs 디바이스는 에너지 대역의 갭이 넓기 때문에 상대적으로 과열에 민감하지 않고 전자회로에서 특히 고주파에서 실리콘 디바이스보다 노이즈(전기 신호에서의 교란)가 적은 경향이 있습니다.이는 캐리어 모빌리티가 높아지고 저항성이 낮은 장치 기생충이 발생한 결과입니다.이러한 우수한 특성은 휴대폰, 위성 통신, 마이크로파 포인트 투 포인트 링크 및 고주파 레이더 시스템에서 GaAs 회로를 사용하는 설득력 있는 이유입니다.전자레인지 생성용 건 다이오드 제조에도 사용됩니다.

GaAs의 또 다른 장점은 밴드갭이 직결돼 있어 빛을 효율적으로 흡수하고 방출하는 데 활용할 수 있다는 것이다.실리콘은 밴드갭이 간접적이어서 상대적으로 발광 능력이 떨어진다.

GaAs는 방사선 손상에 대한 내성을 가진 광폭 다이렉트 밴드 갭 재료로서 고출력 응용 분야에서 우주 전자제품 및 광학 윈도우에 매우 적합한 재료입니다.

순수 GaAs는 밴드갭이 크기 때문에 저항성이 매우 높습니다.높은 유전율과 결합하면 GaAs는 집적회로에 매우 좋은 기판이 되고 Si와는 달리 소자와 회로 사이에 자연스러운 분리를 제공합니다.따라서 GaAs 한 슬라이스에서 능동적이고 필수적인 패시브 부품을 쉽게 생산할 수 있는 MMIC(Monolithic Micrown Integrated Circuit)에 이상적인 재료가 되었습니다.

최초의 GaAs 마이크로프로세서 중 하나는 1980년대 초에 RCA 법인에 의해 개발되었으며 미국 국방부의 스타워즈 프로그램을 위해 고려되었습니다.이 프로세서는 실리콘 프로세서에 비해 몇 배 더 빠르고 방사선에 대한 내성이 몇 배 더 높았지만 가격이 [16]더 비쌌습니다.다른 GaAs 프로세서는 슈퍼컴퓨터 벤더인 Cray Computer Corporation, Colves 및 Alliant에 의해 구현되어 CMOS 마이크로프로세서의 계속적인 향상을 목표로 하고 있습니다.Cray는 결국 1990년대 초에 GaAs 기반의 기계인 Cray-3를 만들었지만, 그 노력이 충분히 자본화되지 않아 1995년에 파산 신청을 했다.

갈륨 비화물의 복합층 구조는 비화알루미늄(AlAs) 또는 합금x1−x AlGaAs와 조합하여 분자선 에피택시(MBE) 또는 금속유기 기상 에피택시(MOVPE)를 사용하여 성장시킬 수 있다.GaAs와 AlAs는 격자 상수가 거의 동일하기 때문에 층은 유도 왜곡이 거의 없어 거의 임의로 두껍게 자랄 수 있습니다.이를 통해 매우 높은 성능과 높은 전자 이동성 HEMT 트랜지스터 및 기타 양자 우물 소자를 사용할 수 있습니다.

GaAs는 모노리식 레이더 전력 증폭기에 사용됩니다(단, GaN은 열 [17]손상에 덜 취약할 수 있습니다).

실리콘의 장점

실리콘은 집적회로 제조에서 GaAs에 비해 크게 세 가지 장점이 있다.첫째, 실리콘은 규산염 광물의 형태로 풍부하고 가공 비용이 저렴합니다.실리콘 산업에 이용 가능한 규모의 경제 또한 GaAs의 채택을 방해하고 있습니다.

또, Si결정은 매우 안정된 구조로, 매우 큰 지름의 부울로 성장해, 매우 양호한 수율로 가공할 수 있다.또한 매우 우수한 열전도체이므로 작동 열을 제거할 필요가 있는 트랜지스터의 고밀도 패킹이 가능하며, 매우 큰 IC의 설계 및 제조에 매우 적합합니다.이러한 우수한 기계적 특성은 빠르게 발전하는 나노 전자 공학 분야에 적합한 재료이기도 합니다.당연히 GaAs 표면은 확산에 필요한 고온을 견딜 수 없다. 그러나 1980년대 현재 실행 가능하고 적극적으로 추구된 대안은 이온 [18]주입이었다.

Si의 두 번째 주요 장점은 절연체로 사용되는 천연 산화물(이산화실리콘, SiO2)의 존재입니다.이산화규소는 실리콘 회로에 쉽게 편입될 수 있으며, 이러한 층은 기초 실리콘에 부착되어 있다.SiO는2 뛰어난 절연체일 뿐만 아니라(8.9eV 대역 간격) Si-SiO2 인터페이스는 뛰어난 전기적 특성, 특히 인터페이스 상태의 밀도가 낮도록 쉽게 설계할 수 있습니다.GaAs는 천연 산화물을 가지고 있지 않으며, 안정적인 접착 절연층을 쉽게 지지하지 않으며, Si-SiO의2 [18]유전 강도 또는 표면 패시브화 특성을 가지고 있지 않습니다.

산화 알루미늄(AlO23)은 InGaAs뿐만 아니라 GaAs의 가능한 게이트 산화물로 광범위하게 연구되어 왔습니다.

실리콘의 세 번째 장점은 GaAs(500cmVs 대 400cmV2−1−1)[19]에 비해 홀 이동성이 높다는 것이다.이 높은 이동성을 통해 CMOS 로직에 필요한 고속 P채널 전계효과 트랜지스터를 제작할 수 있습니다.고속 CMOS 구조가 없기 때문에 GaAs 회로는 전력 소비량이 훨씬 높은 논리 스타일을 사용해야 합니다. 따라서 GaAs 논리 회로는 실리콘 논리 회로와 경쟁할 수 없게 되었습니다.

태양전지를 제조하기 위해 실리콘은 햇빛에 대한 흡수율이 상대적으로 낮기 때문에 대부분의 햇빛을 흡수하기 위해서는 약 100마이크로미터의 Si가 필요하다.이러한 계층은 비교적 견고하고 다루기 쉽습니다.반면 GaAs의 흡수율은 매우 높아 빛을 모두 흡수하는 데 몇 마이크로미터의 두께만 있으면 된다.따라서 [20]기판재상에 GaAs 박막을 지지해야 한다.

실리콘은 순수 원소로 GaAs의 [21]화학량학적 불균형 및 열적 혼합 문제를 방지합니다.

실리콘은 거의 완벽한 격자를 가지고 있으며, 불순물 밀도가 매우 낮으며 매우 작은 구조물을 건설할 수 있습니다(2020년 현재[22] 상용 생산 시 5nm까지 감소).반면 GaAs는 불순물 [23]밀도가 매우 높아 작은 구조로는 집적회로를 구축하기 어렵기 때문에 500nm 공정은 [citation needed]GaAs의 일반적인 공정이다.

실리콘은 열전도율이 GaAs의 약 3배이며, 고출력 [17]디바이스에서 국소 과열 위험이 적습니다.

기타 응용 프로그램

MidSTAR-1을 커버하는 3중 접합 GaAs 세포

트랜지스터 사용

비화갈륨(GaAs) 트랜지스터는 휴대전화 및 무선통신용 RF 파워앰프에 사용됩니다.[24]

태양전지 및 검출기

비화 갈륨은 고비용 고효율 태양전지의 중요한 반도체 물질로 단결정 박막 태양전지 및 다접합 [25]태양전지에 사용된다.

우주에서 GaAs 태양전지를 최초로 사용한 것으로 알려진 것은 1965년에 발사된 베네라 3호 임무였다.Kvant에 의해 제조된 GaAs 태양전지는 고온 [26]환경에서의 높은 성능 때문에 선택되었다.GaAs 세포는 같은 이유로 Lunokhod 탐사로봇에 사용되었다.

1970년,[27][28][29] GaAs 헤테로 구조 태양 전지는 소련에서 Zhores Alferov가 이끄는 팀에 의해 개발되어 훨씬 더 높은 효율성을 달성했습니다.1980년대 초 최고의 GaAs 태양 전지의 효율은 기존의 결정 실리콘 기반 태양 전지를 능가했습니다.1990년대에 GaAs 태양전지는 실리콘에서 위성용 태양광 어레이에 가장 일반적으로 사용되는 셀 타입으로 대체되었다.이후 GaAs 기반의 게르마늄과 인듐 갈륨 층을 가진 이중 및 삼중 접합 태양전지가 32% 이상의 기록적인 효율을 보이며 2,000 태양 농도만큼 빛으로도 작동할 수 있는 삼중 접합 태양전지의 기초가 되었다.이런 종류의 태양 전지는 화성 표면을 탐사한 화성 탐사 로봇 스피릿과 오퍼튜니티를 작동시켰다.또한 많은 태양광 자동차들이 GaAs를 태양열 어레이에 활용한다.

GaAs 기반 장치는 29.1%(2019년 기준)로 세계 최고 효율 단일 접합 태양 전지의 기록을 보유하고 있다.이러한 고효율성은 극도의 고품질 GaAs 에피택셜 성장, AlGaAs에 [30]의한 표면 패시베이션, 박막 [31]설계에 의한 광자 재활용 촉진에 기인한다.

양자 유정을 사용하는 복잡한 AlGaAs-GaAsx1−x 디바이스 설계는 적외선 복사(QWIP)에 민감할 수 있습니다.

GaAs 다이오드는 X선 [32]검출에 사용할 수 있습니다.

발광 장치

GaAs의 밴드 구조.GaAs의 직접적인 간격은 1.424 eV(~870 nm)에서 적외선을 효율적으로 방출합니다.

GaAs는 [33]1962년부터 근적외선 레이저 다이오드를 생산하는 데 사용되어 왔다.이러한 용도로 다른 반도체 화합물과의 합금에 자주 사용됩니다.

광섬유 온도 측정

이를 위해 광섬유 온도 센서의 광섬유 선단에 비화 갈륨 결정을 설치한다.850 nm GaAs의 광파장에서 시작하면 광학적으로 반투명해집니다.밴드 갭의 스펙트럼 위치는 온도에 따라 달라지기 때문에 약 0.4 nm/K 이동한다.측정 장치에는 광원과 밴드 갭의 스펙트럼 검출을 위한 장치가 포함되어 있습니다.밴드 갭의 변화에 따라 (0.4 nm/K) 알고리즘이 온도를 계산합니다(모든 250 ms).[34]

스핀차지 컨버터

GaAs는 스핀차지 컨버터에 백금 대신 사용할 수 있고 조정성이 [35]더 높기 때문에 스핀트로닉스에 응용될 수 있습니다.

안전.

갈륨 비소 공급원(트리메틸갈륨 및 아르신 등)의 환경, 건강 및 안전 측면과 금속 유기 전구체의 산업 위생 모니터링 연구가 [36]보고되었다.캘리포니아는 IARC와 [38]ECA와 마찬가지로 갈륨 비소를 [37]발암물질로 기재하고 있으며 [39][40]동물에서 알려진 발암물질로 간주하고 있다.한편, 2013년 리뷰(업계 자금 지원)는 쥐나 생쥐가 미세한 GaAs 분말을 흡입할 때 GaAs 자체의 1차 발암 효과에서가 아니라 결과적인 폐 자극과 염증에서 암에 걸리고, 나아가 미세한 GaAs 분말은 이러한 분류에 반대했다.GaAs의 [38]생산 또는 사용에서 생성될 가능성이 거의 없습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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인용된 출처

외부 링크

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