Galliumarsenid
Die binäre VerbindungGalliumarsenid(GaAs) ist einHalbleiterwerkstoff,der sowohl halbleitend (mit Elementen aus den Gruppen II, IV oder VI desPeriodensystemsdotiert) als auch semiisolierend (undotiert) sein kann. Die auf diesem Substratmaterial aufbauenden Verbindungen undEpitaxie-Schichten werden zur Herstellung elektronischer Bauelemente benötigt, die bei Hochfrequenzanwendungen und für die Umwandlung elektrischer in optische Signale eingesetzt werden.
| Kristallstruktur | |||||||||||||||||||
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| _Ga3+_As3− | |||||||||||||||||||
| Kristallsystem |
kubisch[1] | ||||||||||||||||||
| Raumgruppe |
F43m(Nr. 216)[1] | ||||||||||||||||||
| Gitterparameter |
a = 565,33 pm[1] | ||||||||||||||||||
| Allgemeines | |||||||||||||||||||
| Name | Galliumarsenid | ||||||||||||||||||
| Verhältnisformel | GaAs | ||||||||||||||||||
| Kurzbeschreibung |
dunkelgrauer Feststoff[2] | ||||||||||||||||||
| Externe Identifikatoren/Datenbanken | |||||||||||||||||||
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| Eigenschaften | |||||||||||||||||||
| Molare Masse | 144,64 g·mol−1 | ||||||||||||||||||
| Aggregatzustand |
fest | ||||||||||||||||||
| Dichte |
5,32 g·cm−3[3] | ||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | |||||||||||||||||||
| Löslichkeit |
praktisch unlöslich in Wasser[3] | ||||||||||||||||||
| Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||
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| MAK |
nicht festgelegt, dacancerogen[3] | ||||||||||||||||||
| Thermodynamische Eigenschaften | |||||||||||||||||||
| ΔHf0 |
−71,0 kJ/mol[5] | ||||||||||||||||||
| Soweit möglich und gebräuchlich, werdenSI-Einheitenverwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten beiStandardbedingungen(0 °C, 1000 hPa). | |||||||||||||||||||
Kristallstruktur
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Galliumarsenidkristallisiertimkubischen Kristallsystemin derRaumgruppeF43m(Raumgruppen-Nr. 216)mit demGitterparametera= 5,653Åsowie vierFormeleinheitenproElementarzelleund istisotypzur Struktur derZinkblende[6].DieKristallstrukturbesteht aus zwei ineinandergestelltenkubisch-flächenzentrierten Gittern(kubisch-dichteste Kugelpackungen), die vonGallium- (GruppeIII) bzw.Arsen-Atomen (Gruppe V) aufgebaut werden und die um ein Viertel der Raumdiagonalen der kubischen Elementarzelle gegeneinander verschoben sind. Die Galliumatome besetzen damit die Hälfte derTetraederlückender Packung aus Arsenatomen und umgekehrt. Galliumarsenid ist einintrinsischerdirekter Halbleitermit einerBandlückevon 1,424eVbei Raumtemperatur (300K). Die Dichte der Verbindung beträgt 5,315 g/cm3,ihr Schmelzpunkt liegt bei 1238 °C.
Anwendungsgebiete
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In der Grundlagenforschung und der Halbleiterindustrie wird GaAs vor allem im Rahmen des MaterialsystemsAluminiumgalliumarsenidzur Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturenverwendet. Bauteile aus Galliumarsenid weisen eine ca. zehnmal so hoheTransitfrequenzwie ihre vergleichbaren Pendants ausSiliciumauf. Sie weisen geringeresRauschenauf und damit aufgebaute elektrische Schaltungen haben einen geringeren Energiebedarf als ihre direkten Äquivalente aus Silicium. Galliumarsenid ist ein Basismaterial fürHigh-Electron-Mobility-TransistorenundGunndioden,welche in derHochfrequenztechnikeingesetzt werden. Daraus lassen sichrauscharme Hochfrequenzverstärker(LNA) aufbauen, welche unter anderem inMobiltelefonen,in derSatellitenkommunikationoder beiRadaranlagenAnwendung finden.
Darüber hinaus wird Galliumarsenid benutzt, um mit Hilfe vonLasernbzw.oberflächenemittierenden LasernInformationen durch Glasfasernetze zu senden sowie Satelliten mit Energie ausSolarzellen(Photovoltaik) zu versorgen. Im Alltag kommt Galliumarsenid inLeucht-undLaserdiodender FarbenInfrarotbis Gelb zur Anwendung.
Eine weitere Anwendung von Galliumarsenid in der Forschung ist die Verwendung als Photokathode in derInversen Photoemissionsspektroskopie,wo mit Galliumarsenid insbesondere eineSpinpolarisationdes Elektronenstrahls erzeugt werden kann.
Auch diefaseroptische Temperaturmessungstellt ein Anwendungsgebiet für Galliumarsenid dar. Hierbei werden die Glasfaserspitzen von faseroptischen Sensoren mit einem Galliumarsenid-Kristall bestückt, der im Hinblick auf seine Eigenschaft, unter Temperatureinwirkung die Lage seiner Bandkante zu verändern, ausgewertet wird.[7]
Dennoch hat Galliumarsenid das Silicium als Massen-Halbleiter für eher alltägliche Anwendungen nicht verdrängen können. Die hauptsächlichen Gründe dafür sind die im Vergleich zum extrem häufigen Element Silicium wesentlich höheren Preise der deutlich selteneren Ausgangsstoffe Gallium und Arsen sowie die aufwendigere Technologie zur Herstellung von Einkristallen. Dieser hohe technologische Aufwand begrenzt zugleich die Masse und den Durchmesser der Galliumarsenid-Einkristalle. Außerdem lassen sich in Silicium leichterisolierendeBereiche erzeugen – meist in Form vonSiliciumdioxid–, als es im Galliumarsenid möglich ist. Da im GaAs wegen der im Vergleich zum Silicium deutlich geringeren Mobilität seiner leitendenDefektelektronen(den sogenannten „Löchern “) auch keine guten p-Kanal-Feldeffekttransistorenrealisiert werden können, ist dieCMOS-Schaltungstechnik in GaAs nicht möglich; dadurch kehrt sich der energetische Vorteil von GaAs für viele Anwendungszwecke ins Gegenteil um.
Gesundheitliche Gefahren
BearbeitenBei der Herstellung von GaAs kommt das giftige Arsen zum Einsatz. Problematisch sind auch die flüchtigen giftigen Zwischenprodukte während der Herstellung von GaAs, wie die beim Ätzen von GaAs entstehendeArsensäure.Galliumarsenid kann beim Menschen Krebs auslösen.[3]Sowohl das Element Arsen als auch seine Oxide sind bei – für metallische oder halbmetallische Werkstoffe – verhältnismäßig niedrigen Temperaturen flüchtig, was besondere Aufmerksamkeit und Vorkehrungen bei der Produktion und Verarbeitung (bzw. Entsorgung in einerMüllverbrennungsanlage) erfordert, damit keine giftigen Produkte (z. B. so genannterHüttenrauch) in die Umwelt gelangen.
Herstellung
BearbeitenDie Herstellung von Galliumarsenid-Einkristallen (Kristallzüchtung) erfolgt aus einer Schmelze der beiden Elemente Gallium und Arsen durch dampfdruckgesteuerteTiegelziehverfahren,beispielsweiseLiquid Encapsulated Czochralski- oderVertical Gradient Freeze-Verfahren (LECbzw.VGF-Verfahren). Stand der Technik sindWafermit einem Durchmesser von 150 mm, wobei die Möglichkeit zur Fertigung von Wafern mit 200 mm Durchmesser nachgewiesen wurde. GaAs- oder AlGaAs-Schichten könnenepitaktischauf entsprechenden Substraten hergestellt werden, solche Schichten sind ebenfallsEinkristalle.Üblicherweise geschieht dies mit einer Rate von ca. 1 µm/h abhängig von dem Epitaxieverfahren.
Siehe auch
BearbeitenLiteratur
Bearbeiten- S. Adachi:GaAs and related materials: Bulk semiconducting and superlattice properties.World Scientific, Singapore 1994,ISBN 981-02-1925-3.
- O. Madelung, M. Schulz, H. Weiss:Semiconductors: Technology of Si, Ge and SiC.In:Landolt-Bornstein – Group III: Condensed Matter.17c, Springer, Berlin 1984,ISBN 0-387-11474-2.
- M. Schulz, H. Weiss:Semiconductors: Technology of III-V, II-VI and non-tetrahedrally bonded compounds.In:Landolt-Bornstein – Group III: Condensed Matter.17d, Springer, Berlin 1984,ISBN 0-387-11779-2.
Weblinks
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- Physical properties of Gallium Arsenide (GaAs),Ioffe-InstitutSt. Petersburg (englisch)
- Katherine Bourzac:Der bessere Halbleiter,Technology Review, 26. Mai 2010
Einzelnachweise
Bearbeiten- ↑abcioffe.ru:Basic Parameters of Gallium Arsenide (GaAs)
- ↑Eintrag zuGalliumarsenid.In:Römpp Online.Georg Thieme Verlag, abgerufen am 30. Mai 2014.
- ↑abcdefgEintrag zuGalliumarsenidin derGESTIS-StoffdatenbankdesIFA,abgerufen am 2. Januar 2024.(JavaScript erforderlich)
- ↑Eintrag zuGallium arsenideimClassification and Labelling InventoryderEuropäischen Chemikalienagentur(ECHA), abgerufen am 24. Januar 2017. Hersteller bzw.Inverkehrbringerkönnen die harmonisierte Einstufung und Kennzeichnungerweitern.
- ↑David R. Lide (Hrsg.):CRC Handbook of Chemistry and Physics.90. Auflage. (Internet-Version: 2010), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL,Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances,S. 5-5.
- ↑I. Uschmann, T. Kämpfer, F. Zamponi, A. Lübcke, U. Zastrau, R. Loetzsch, S. Höfer, A. Morak, E. Förster:Investigation of fast processes in condensed matter by time-resolved X-ray diffraction.In:Applied Physics A: Materials Science & Processing.Band96,Nr.1,2009,S.91–98,doi:10.1007/s00339-009-5187-1.
- ↑optocon.de:Fieberthermometer. Prinzipien und Anwendungen der faseroptischen Temperaturmessung(PDF; 214 kB)