Arséniure de gallium - Gallium arsenide

Arséniure de gallium
Échantillons d'arséniure de gallium
Plaquette d'arséniure de gallium (GaAs) 2 ".jpg
Plaquette de GaAs d'orientation (100)
Des noms
Nom IUPAC préféré
Arséniure de gallium
Identifiants
Modèle 3D ( JSmol )
ChemSpider
Carte d'information de l'ECHA 100.013.741 Modifiez ceci sur Wikidata
Numéro CE
Engrener gallium+arséniure
CID PubChem
Numéro RTECS
UNII
Numéro ONU 1557
  • InChI=1S/AsH3.Ga.3H/h1H3;;;; ☒N
    Clé : SHVQQKYXGUBHBI-UHFFFAOYSA-N ☒N
  • [Ga]#[As]
  • [Ga+3].[As-3]
Propriétés
GaAs
Masse molaire 144,645 g/mol
Apparence Cristaux gris
Odeur semblable à l'ail lorsqu'il est humidifié
Densité 5,3176 g / cm 3
Point de fusion 1 238 °C (2 260 °F; 1 511 K)
insoluble
Solubilité soluble dans HCl
insoluble dans éthanol , méthanol , acétone
Bande interdite 1,441 eV (à 300 K)
Mobilité électronique 9000 cm 2 /(V·s) (à 300 K)
-16,2 × 10 6 cg
Conductivité thermique 0,56 W/(cm·K) (à 300 K)
3.3
Structure
Mélange de zinc
T 2 d - F -4 3m
a  = 565.315 pm
tétraédrique
Linéaire
Dangers
Fiche de données de sécurité FDS externe
Pictogrammes SGH GHS08 : Danger pour la santé
Mention d'avertissement SGH Danger
H350 , H372 , H360F
P261 , P273 , P301+310 , P311 , P501
NFPA 704 (diamant de feu)
3
0
0
Composés apparentés
Autres anions
Nitrure de
gallium Phosphure de
gallium Antimoniure de gallium
Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Références de l'infobox

L'arséniure de gallium ( GaAs ) est un semi-conducteur à bande interdite directe III-V avec une structure cristalline de zinc blende .

L' arséniure de gallium est utilisé dans la fabrication de dispositifs tels que des micro - ondes de fréquence des circuits intégrés , des circuits intégrés monolithiques à micro - ondes , infrarouges des diodes électroluminescentes , des diodes laser , les cellules solaires et les fenêtres optiques.

GaAs est souvent utilisé en tant que matériau de substrat pour la croissance épitaxiale d'autres semi - conducteurs III-V, y compris l' arséniure de gallium et d'indium , l' arséniure de gallium et d'aluminium et d' autres.

Préparation et chimie

Dans le composé, le gallium a un état d' oxydation +03 . Les monocristaux d' arséniure de gallium peuvent être préparés par trois procédés industriels :

  • Le procédé de gel à gradient vertical (VGF) (la plupart des plaquettes de GaAs sont produites à l'aide de ce procédé).
  • Croissance cristalline à l'aide d'un four à zone horizontale selon la technique Bridgman-Stockbarger , dans lequel les vapeurs de gallium et d'arsenic réagissent, et des molécules libres se déposent sur un germe cristallin à l'extrémité la plus froide du four.
  • La croissance Czochralski (LEC) encapsulée dans un liquide est utilisée pour produire des monocristaux de haute pureté qui peuvent présenter des caractéristiques semi-isolantes (voir ci-dessous).

Des méthodes alternatives pour produire des films de GaAs comprennent :

L'oxydation de GaAs se produit dans l'air, dégradant les performances du semi-conducteur. La surface peut être passivée en déposant une couche de sulfure de gallium(II) cubique à l' aide d'un composé de sulfure de tert-butyl gallium tel que (t
BuGaS)
7
.

Cristaux semi-isolants

En présence d'excès d'arsenic, les boules de GaAs croissent avec des défauts cristallographiques ; spécifiquement, des défauts antisites d'arsenic (un atome d'arsenic sur un site d'atome de gallium dans le réseau cristallin). Les propriétés électroniques de ces défauts (interagissant avec d'autres) font que le niveau de Fermi est bloqué près du centre de la bande interdite, de sorte que ce cristal de GaAs a une très faible concentration d'électrons et de trous. Cette faible concentration en porteurs est similaire à un cristal intrinsèque (parfaitement non dopé), mais beaucoup plus facile à réaliser en pratique. Ces cristaux sont dits « semi-isolants », reflétant leur haute résistivité de 10 7 –10 9 Ω·cm (ce qui est assez élevé pour un semi-conducteur, mais toujours bien inférieur à un véritable isolant comme le verre).

Gravure

Gravure humide de GaAs utilise industriellement un agent oxydant tel que le peroxyde d'hydrogène ou de brome de l' eau, et la même stratégie a été décrite dans un brevet portant sur le traitement des composants de la ferraille contenant du GaAs où le Ga3+
est complexé avec un acide hydroxamique ("HA"), par exemple :

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

Cette réaction produit de l'acide arsenic .

Électronique

Logique numérique GaAs

GaAs peut être utilisé pour différents types de transistors :

Le HBT peut être utilisé en logique d'injection intégrée (I 2 L).

La première porte logique GaAs utilisait Buffered FET Logic (BFL).

De c.  De 1975 à 1995, les principales familles logiques utilisées étaient :

Comparaison avec le silicium pour l'électronique

Avantages du GaAs

Certaines propriétés électroniques de l'arséniure de gallium sont supérieures à celles du silicium . Il a une vitesse des électrons saturés et une mobilité des électrons plus élevée , permettant aux transistors à l'arséniure de gallium de fonctionner à des fréquences supérieures à 250 GHz. Les dispositifs GaAs sont relativement insensibles à la surchauffe, en raison de leur bande interdite énergétique plus large, et ils ont également tendance à créer moins de bruit (perturbation dans un signal électrique) dans les circuits électroniques que les dispositifs au silicium, en particulier à haute fréquence. Ceci est le résultat de mobilités de porteurs plus élevées et de parasites de dispositifs résistifs plus faibles. Ces propriétés supérieures sont des raisons impérieuses d'utiliser des circuits GaAs dans les téléphones mobiles , les communications par satellite , les liaisons micro-ondes point à point et les systèmes radar à haute fréquence . Il est également utilisé dans la fabrication de diodes Gunn pour la génération de micro - ondes .

Un autre avantage du GaAs est qu'il a une bande interdite directe , ce qui signifie qu'il peut être utilisé pour absorber et émettre efficacement de la lumière. Le silicium a une bande interdite indirecte et est donc relativement faible pour émettre de la lumière.

En tant que matériau à large bande interdite directe avec une résistance résultante aux dommages causés par les rayonnements, GaAs est un excellent matériau pour l'électronique spatiale et les fenêtres optiques dans les applications à haute puissance.

En raison de sa large bande interdite, le GaAs pur est hautement résistif. Combinée à une constante diélectrique élevée , cette propriété fait du GaAs un très bon substrat pour les circuits intégrés et, contrairement au Si, fournit une isolation naturelle entre les appareils et les circuits. Cela en a fait un matériau idéal pour les circuits intégrés hyperfréquences monolithiques (MMIC), où les composants passifs actifs et essentiels peuvent être facilement produits sur une seule tranche de GaAs.

L'un des premiers microprocesseurs GaAs a été développé au début des années 1980 par la société RCA et a été pris en compte pour le programme Star Wars du département de la Défense des États-Unis . Ces processeurs étaient plusieurs fois plus rapides et plusieurs ordres de grandeur plus résistants aux radiations que leurs homologues au silicium, mais étaient plus chers. D'autres processeurs GaAs ont été mis en œuvre par les fournisseurs de superordinateurs Cray Computer Corporation , Convex et Alliant dans le but de garder une longueur d'avance sur le microprocesseur CMOS en constante amélioration . Cray a finalement construit une machine à base de GaAs au début des années 1990, la Cray-3 , mais l'effort n'a pas été suffisamment capitalisé et la société a déposé son bilan en 1995.

Des structures stratifiées complexes d'arséniure de gallium en combinaison avec de l'arséniure d'aluminium (AlAs) ou l'alliage Al x Ga 1−x As peuvent être développées par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ou par épitaxie en phase vapeur organométallique (MOVPE). Étant donné que GaAs et AlAs ont presque la même constante de réseau , les couches ont très peu de contrainte induite , ce qui leur permet de devenir presque arbitrairement épaisses. Cela permet des transistors HEMT et d'autres dispositifs à puits quantiques extrêmement performants et à mobilité électronique élevée .

GaAs est utilisé pour les amplificateurs de puissance radar monolithiques (mais GaN peut être moins sensible aux dommages causés par la chaleur).

Avantages du silicium

Le silicium présente trois avantages majeurs par rapport au GaA pour la fabrication de circuits intégrés. Premièrement, le silicium est abondant et peu coûteux à traiter sous forme de minéraux de silicate . Les économies d'échelle disponibles pour l'industrie du silicium ont également entravé l'adoption de GaAs.

De plus, un cristal de Si a une structure très stable et peut être transformé en boules de très grand diamètre et traité avec de très bons rendements. C'est également un assez bon conducteur thermique, permettant ainsi un emballage très dense des transistors qui doivent se débarrasser de leur chaleur de fonctionnement, tout cela très souhaitable pour la conception et la fabrication de très gros circuits intégrés . Ces bonnes caractéristiques mécaniques en font également un matériau adapté au domaine en plein développement de la nanoélectronique . Naturellement, une surface de GaAs ne peut pas supporter les températures élevées nécessaires à la diffusion ; cependant, une alternative viable et activement recherchée à partir des années 1980 était l'implantation ionique.

Le deuxième avantage majeur du Si est l'existence d'un oxyde natif ( dioxyde de silicium , SiO 2 ) qui sert d' isolant . Le dioxyde de silicium peut être facilement incorporé dans des circuits en silicium, et ces couches adhèrent au silicium sous-jacent. SiO 2 est non seulement un bon isolant (avec une bande interdite de 8,9 eV ), mais l' interface Si-SiO 2 peut être facilement conçue pour avoir d'excellentes propriétés électriques, surtout une faible densité d'états d'interface. GaAs n'a pas d'oxyde natif, ne supporte pas facilement une couche isolante adhérente stable, et ne possède pas la rigidité diélectrique ou les qualités de passivation de surface du Si-SiO 2 .

L'oxyde d'aluminium (Al 2 O 3 ) a été largement étudié comme oxyde de grille possible pour GaAs (ainsi que InGaAs ).

Le troisième avantage du silicium est qu'il possède une mobilité des trous plus élevée par rapport au GaAs (500 contre 400 cm 2 V -1 s -1 ). Cette mobilité élevée permet la fabrication de transistors à effet de champ à canal P à plus grande vitesse , qui sont nécessaires pour la logique CMOS . Parce qu'ils n'ont pas de structure CMOS rapide, les circuits GaAs doivent utiliser des styles logiques qui ont une consommation d'énergie beaucoup plus élevée ; cela a rendu les circuits logiques GaAs incapables de rivaliser avec les circuits logiques au silicium.

Pour la fabrication de cellules solaires, le silicium a une capacité d' absorption relativement faible pour la lumière du soleil, ce qui signifie qu'environ 100 micromètres de Si sont nécessaires pour absorber la plus grande partie de la lumière solaire. Une telle couche est relativement robuste et facile à manipuler. En revanche, la capacité d'absorption du GaAs est si élevée que seuls quelques micromètres d'épaisseur sont nécessaires pour absorber toute la lumière. Par conséquent, les films minces de GaAs doivent être supportés sur un matériau de substrat.

Le silicium est un élément pur, évitant les problèmes de déséquilibre stoechiométrique et de démixage thermique du GaAs.

Le silicium a un réseau presque parfait ; la densité d'impuretés est très faible et permet de construire de très petites structures (jusqu'à 5 nm en production commerciale à partir de 2020). En revanche, GaAs a une densité d'impuretés très élevée, ce qui rend difficile la construction de circuits intégrés avec de petites structures, de sorte que le processus à 500 nm est un processus courant pour GaAs.

Le silicium a environ trois fois la conductivité thermique du GaAs, avec moins de risque de surchauffe locale dans les appareils à haute puissance.

Autres applications

Cellules GaAs à triple jonction recouvrant MidSTAR-1

Utilisations des transistors

Les transistors à l'arséniure de gallium (GaAs) sont utilisés dans les amplificateurs de puissance RF pour les téléphones portables et les communications sans fil.

Cellules solaires et détecteurs

L'arséniure de gallium est un matériau semi-conducteur important pour les cellules solaires à haut rendement et à coût élevé et est utilisé pour les cellules solaires monocristallines à couche mince et pour les cellules solaires à jonctions multiples .

La première utilisation opérationnelle connue de cellules solaires GaAs dans l'espace a été pour la mission Venera 3 , lancée en 1965. Les cellules solaires GaAs, fabriquées par Kvant, ont été choisies en raison de leurs performances supérieures dans des environnements à haute température. Des cellules GaAs ont ensuite été utilisées pour les rovers Lunokhod pour la même raison.

En 1970, les cellules solaires à hétérostructure GaAs ont été développées par l'équipe dirigée par Zhores Alferov en URSS , atteignant des rendements beaucoup plus élevés. Au début des années 1980, l'efficacité des meilleures cellules solaires GaAs dépassait celle des cellules solaires conventionnelles à base de silicium cristallin . Dans les années 1990, les cellules solaires GaAs ont remplacé le silicium comme type de cellule le plus couramment utilisé pour les panneaux photovoltaïques destinés aux applications satellitaires. Plus tard, des cellules solaires à double et triple jonction à base de GaAs avec des couches de germanium et de phosphure de gallium d'indium ont été développées comme base d'une cellule solaire à triple jonction, qui a détenu un rendement record de plus de 32 % et peut fonctionner également avec de la lumière comme concentrée. comme 2000 soleils. Ce type de cellule solaire a alimenté le Mars Exploration Rovers Spirit and Opportunity , qui a exploré la surface de Mars . De nombreuses voitures solaires utilisent également GaAs dans les panneaux solaires.

Les appareils à base de GaAs détiennent le record mondial de la cellule solaire à jonction unique la plus efficace à 29,1 % (à partir de 2019). Cette haute efficacité est attribuée à la croissance épitaxiale de GaAs de très haute qualité, à la passivation de surface par l'AlGaAs et à la promotion du recyclage des photons par la conception de couches minces.

Les conceptions complexes de dispositifs Al x Ga 1−x As-GaAs utilisant des puits quantiques peuvent être sensibles au rayonnement infrarouge ( QWIP ).

Les diodes GaAs peuvent être utilisées pour la détection des rayons X.

Dispositifs d'émission de lumière

Structure de bande de GaAs. L'espace direct de GaAs entraîne une émission efficace de lumière infrarouge à 1,424 eV (~870 nm).

GaAs est utilisé pour produire des diodes laser dans le proche infrarouge depuis 1962. Il est souvent utilisé dans des alliages avec d'autres composés semi-conducteurs pour ces applications.

Mesure de température par fibre optique

A cet effet, une pointe de fibre optique d'un capteur de température à fibre optique est équipée d'un cristal d'arséniure de gallium. À partir d'une longueur d'onde lumineuse de 850 nm, le GaAs devient optiquement translucide. Comme la position spectrale de la bande interdite dépend de la température, elle se décale d'environ 0,4 nm/K. Le dispositif de mesure contient une source lumineuse et un dispositif de détection spectrale de la bande interdite. Avec le changement de la bande interdite (0,4 nm/K) un algorithme calcule la température (tous les 250 ms).

Convertisseurs spin-charge

GaAs peut avoir des applications en spintronique car il peut être utilisé à la place du platine dans les convertisseurs de charge de spin et peut être plus accordable.

Sécurité

Les aspects environnementaux, sanitaires et sécuritaires des sources d'arséniure de gallium (telles que le triméthylgallium et l' arsine ) et des études de surveillance de l'hygiène industrielle des précurseurs organométalliques ont été signalés. La Californie classe l'arséniure de gallium comme cancérogène , tout comme le CIRC et l' ECA , et il est considéré comme un cancérogène connu chez les animaux. D'un autre côté, une étude de 2013 (financée par l'industrie) s'est opposée à ces classifications, affirmant que lorsque des rats ou des souris inhalent de fines poudres de GaAs (comme dans les études précédentes), ils contractent un cancer à cause de l'irritation et de l'inflammation pulmonaires qui en résultent, plutôt que d'un principal effet cancérigène du GaAs lui-même et que, de plus, il est peu probable que des poudres fines de GaAs soient créées lors de la production ou de l'utilisation de GaAs.

Voir également

Les références

Sources citées

Liens externes