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_2%22_wafer.jpg/500px-Gallium_Arsenide_(GaAs)_2%22_wafer.jpg) （100）配向のGaAsウェハ
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| 名前 | |
|---|---|
| 推奨されるIUPAC名
ガリウムヒ素 | |
| 識別子 | |
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3Dモデル（JSmol）
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| ケムスパイダー |
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| ECHA 情報カード | 100.013.741 |
| EC番号 |
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| メッシュ | ガリウム+ヒ素 |
パブケム CID
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| RTECS番号 |
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| ユニ |
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| 国連番号 | 1557 |
CompTox ダッシュボード ( EPA )
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| プロパティ | |
| ガリウムヒ素 | |
| モル質量 | 144.645 g/モル[1] |
| 外観 | 灰色の結晶[1] |
| 臭い | 湿らせるとニンニクのような味になる |
| 密度 | 5.3176 g/cm3 [ 1] |
| 融点 | 1,238 °C (2,260 °F; 1,511 K) [1] |
| 不溶性の | |
| 溶解度 | HCl に溶けるが、エタノール、メタノール、アセトン には溶けない |
| バンドギャップ | 1.424 eV（300 K）[2] |
| 電子移動度 | 9000 cm 2 /(V·s) (300 K) [3] |
磁化率（χ）
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-16.2 × 10−6 cgs [4] |
| 熱伝導率 | 0.56 W/(cm·K) (300 K) [5] |
屈折率( n D )
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3.3 [4] |
| 構造[5] | |
| 閃亜鉛鉱 | |
| T 2日- F -4 3分 | |
a = 565.315 午後
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| 四面体 | |
| リニア | |
| 危険 | |
| GHSラベル: | |
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| 危険 | |
| H350、H360F、H372 | |
| P261、P273、P301+P310、P311、P501 | |
| NFPA 704 (ファイアダイヤモンド) | |
| 安全データシート（SDS） | 外部MSDS |
| 関連化合物 | |
その他の陰イオン
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窒化ガリウム リン化 ガリウム アンチモン化 ガリウム |
特に記載がない限り、データは標準状態（25 °C [77 °F]、100 kPa）の材料に関するものです。
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 インフォボックス参照
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ガリウムヒ 素( GaAs ) は、閃亜鉛鉱型結晶構造を持つIII-V 直接バンドギャップ 半導体です。
ガリウムヒ素は、マイクロ波周波数集積回路、モノリシックマイクロ波集積回路、赤外線 発光ダイオード、レーザーダイオード、太陽電池、光学窓などのデバイスの製造に使用されます。[6]
GaAs は、インジウムガリウムヒ素、アルミニウムガリウムヒ素など、他の III-V 半導体のエピタキシャル成長のための基板材料としてよく使用されます。
準備と化学
化合物中のガリウムは+3の酸化状態を持っています。ガリウムヒ素単結晶は3つの工業プロセスによって製造することができます: [6]
- 垂直勾配凍結（VGF）プロセス。[7]
- ブリッジマン・ストックバーガー法の水平ゾーン炉を使用した結晶成長。ガリウムとヒ素の蒸気が反応し、自由分子が炉の冷たい端にある種結晶上に堆積します。
- 液体封入チョクラルスキー(LEC) 成長法は、半絶縁特性を示す高純度単結晶の製造に使用されます (下記参照)。ほとんどの GaAs ウェーハはこのプロセスを使用して製造されます。
GaAs薄膜を製造するための代替方法としては以下が挙げられる。[6] [8]
- 気体ガリウム金属と三塩化ヒ素のVPE反応：2 Ga + 2 AsCl
3→ 2 GaAs + 3 Cl
2 - トリメチルガリウムとアルシンのMOCVD反応：Ga(CH
3）
3+アシュ
3→ GaAs + 3CH
4 - ガリウムとヒ素の分子線エピタキシー（MBE）: 4 Ga + As
4→ 4 GaAs または 2 Ga + As
2→ 2 ガリウムヒ素
GaAsは空気中で酸化され、半導体の性能を低下させます。表面は、 tert-ブチルガリウム硫化物化合物（t
ブガス
7[9 ]
半絶縁性結晶
ヒ素が過剰に存在すると、GaAs結晶は結晶学的欠陥を伴って成長します。具体的には、ヒ素の反サイト欠陥 (結晶格子内のガリウム原子のサイトにあるヒ素原子) です。これらの欠陥の電子特性 (他の欠陥と相互作用) により、フェルミ準位がバンドギャップの中心近くに固定されるため、この GaAs 結晶の電子と正孔の濃度は非常に低くなります。この低いキャリア濃度は、真性 (完全にドープされていない) 結晶に似ていますが、実際にははるかに簡単に実現できます。これらの結晶は、10 7 –10 9 Ω·cm という高い抵抗率 (半導体としては非常に高い値ですが、ガラスなどの真の絶縁体よりはるかに低い値) を反映して「半絶縁性」と呼ばれます。[10]
エッチング
GaAsのウェットエッチングでは、工業的には過酸化水素や臭素水などの酸化剤が使用され、 [11] GaAsを含むスクラップ部品の処理に関する特許でも同じ戦略が説明されており、Ga3歳以上
ヒドロキサム酸（「HA」）と複合した例：[12]
- ガリウムヒ素 + H
2お
2+「HA」→「GaA」複合体+ H
3アソ
4+ 4時間
2お
この反応によりヒ酸が生成される。[13]
エレクトロニクス
GaAsデジタルロジック
GaAsは様々なタイプのトランジスタに使用できます。[14]
- 金属半導体電界効果トランジスタ（MESFET）
- 高電子移動度トランジスタ（HEMT）
- 接合型電界効果トランジスタ(JFET)
- ヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)
- 金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）[15]
HBT は統合インジェクション ロジック(I 2 L) で使用できます。
最も初期のGaAsロジックゲートはバッファFETロジック（BFL）を使用していました。[14]
1975年から1995年にかけて使用された主なロジックファミリーは以下のとおりです。[14]
- ソース結合FETロジック（SCFL）は最も高速かつ最も複雑（TriQuintとVitesseで使用）
- コンデンサーダイオード FET ロジック (CDFL) (Cray がCray-3に使用)
- 直接結合FETロジック（DCFL）は最もシンプルで消費電力が低い（VitesseがVLSIゲートアレイに使用）
電子機器用シリコンとの比較
GaAsの利点
ガリウムヒ素の電子特性にはシリコンよりも優れている点がある。ガリウムヒ素は飽和電子速度と電子移動度が高く、ガリウムヒ素トランジスタは 250 GHz を超える周波数で動作することができる。[16] GaAs デバイスはエネルギーバンドギャップが広いため過熱の影響を比較的受けにくく、また特に高周波ではシリコンデバイスよりも電子回路のノイズ(電気信号の乱れ) が少ない傾向がある。これはキャリア移動度が高く、デバイスの寄生抵抗が低いためである。これらの優れた特性は、携帯電話、衛星通信、マイクロ波ポイントツーポイントリンク、高周波レーダーシステムで GaAs 回路を使用する説得力のある理由である。また、マイクロ波を生成するためのガンダイオードの製造にも使用されている。[要出典]
GaAs のもう 1 つの利点は、直接バンドギャップを持っていることです。つまり、光を効率的に吸収して放出することができます。シリコンは間接バンドギャップを持っているため、光を放出する能力が比較的低いです。[引用が必要]
GaAsは広い直接バンドギャップ材料であり、放射線損傷に対する耐性があるため、宇宙電子機器や高出力用途の光学窓に最適な材料です。[16]
純粋な GaAs はバンドギャップが広いため、抵抗率が高いです。この特性と高い誘電率を組み合わせることで、GaAs は集積回路の基板として非常に適しており、Si とは異なり、デバイスと回路の間に自然な絶縁を提供します。このため、GaAs はモノリシック マイクロ波集積回路(MMIC)に最適な材料であり、能動部品と必須の受動部品を GaAs の単一スライス上に簡単に作成できます。
最初の GaAsマイクロプロセッサの 1 つは、1980 年代初頭にRCA社によって開発され、米国防総省のスターウォーズ計画に採用されることが検討されました。これらのプロセッサは、シリコン製のものより数倍高速で、放射線耐性も数桁優れていましたが、より高価でした。[17]その他の GaAs プロセッサは、スーパーコンピュータベンダーのCray Computer Corporation、Convex、Alliantによって実装され、常に改良が進むCMOSマイクロプロセッサに遅れを取らないように努めました。Cray は最終的に 1990 年代初頭に GaAs ベースのマシンであるCray-3 を1 台製造しましたが、この取り組みは十分な資金を調達できず、1995 年に破産を申請しました。
ガリウムヒ素とアルミニウムヒ素(AlAs) または合金Al x Ga 1−x Asを組み合わせた複雑な層構造は、分子線エピタキシー(MBE) または有機金属気相エピタキシー(MOVPE) を使用して成長させることができます。GaAs と AlAs は格子定数がほぼ同じであるため、層にはほとんど歪みが生じず、ほぼ任意の厚さに成長させることができます。これにより、極めて高性能で電子移動度の高いHEMTトランジスタやその他の量子井戸デバイス が可能になります。
GaAsはモノリシックレーダー電力増幅器に使用されます（ただしGaNは熱による損傷を受けにくい場合があります）。[18]
シリコンの利点
集積回路の製造において、シリコンは GaAs に比べて 3 つの大きな利点があります。第一に、シリコンはケイ酸塩鉱物の形で豊富に存在し、加工コストも安価です。シリコン産業が利用できる規模の経済性も GaAs の採用を妨げています。[引用が必要]
さらに、Si 結晶は非常に安定した構造を持ち、非常に大きな直径のブールに成長し、非常に良好な収率で処理することができます。また、非常に優れた熱伝導体であるため、動作熱を除去する必要があるトランジスタを非常に高密度にパッキングすることができ、非常に大きなICの設計と製造に非常に望ましいものです。このような優れた機械的特性により、急速に発展しているナノエレクトロニクスの分野にも適した材料となっています。当然、GaAs 表面は拡散に必要な高温に耐えることはできませんが、1980 年代にはイオン注入が実行可能で積極的に追求された代替手段でした。[19]
Si の 2 つ目の大きな利点は、絶縁体として使用される自然酸化物 (二酸化ケイ素、SiO 2 ) の存在です。二酸化ケイ素はシリコン回路に簡単に組み込むことができ、そのような層は下層のシリコンに密着します。SiO 2は優れた絶縁体であるだけでなく (バンドギャップは8.9 eV )、Si-SiO 2界面は優れた電気特性を持つように簡単に設計でき、最も重要なのは界面状態密度が低いことです。GaAs には自然酸化物がなく、安定した密着性のある絶縁層を容易にサポートできず、Si-SiO 2のような誘電強度や表面パッシベーション特性を備えていません。[19]
酸化アルミニウム（Al 2 O 3）は、GaAs（およびInGaAs）のゲート酸化物として広く研究されてきました。
シリコンの3つ目の利点は、 GaAsに比べてホール移動度が高いことです（500対400 cm 2 V −1 s −1）。[20]この高い移動度により、 CMOSロジックに必要な高速Pチャネル電界効果トランジスタの製造が可能になります。GaAs回路は高速CMOS構造を欠いているため、消費電力がはるかに高いロジックスタイルを使用する必要があります。このため、GaAsロジック回路はシリコンロジック回路と競合することができませんでした。
太陽電池の製造において、シリコンは太陽光の吸収率が比較的低いため、太陽光の大部分を吸収するには約100マイクロメートルのSiが必要である。このような層は比較的丈夫で扱いやすい。対照的に、GaAsの吸収率は非常に高いため、すべての光を吸収するにはわずか数マイクロメートルの厚さで十分である。したがって、GaAs薄膜は基板材料上に支持される必要がある。[21]
シリコンは純粋な元素であるため、GaAsの化学量論的不均衡や熱的分離の問題を回避できる。[22]
シリコンはほぼ完璧な格子を持ち、不純物密度が非常に低いため、非常に小さな構造を構築することができます（2020年現在、商業生産では5nmまで[23]）。対照的に、GaAsは不純物密度が非常に高いため[24] 、小さな構造の集積回路を構築することが困難であり、500nmプロセスはGaAsの一般的なプロセスです。[引用が必要]
シリコンはGaAsの約3倍の熱伝導率を持ち、高出力デバイスにおける局所的な過熱のリスクが低くなります。[18]
その他のアプリケーション
トランジスタの用途
ガリウムヒ素（GaAs）トランジスタは、携帯電話や無線通信用のRFパワーアンプに使用されています。[25]
太陽電池と検出器
ガリウムヒ素は、高コストで高効率な太陽電池のための重要な半導体材料であり、単結晶薄膜太陽電池や多接合太陽電池に使用されています。[26]
宇宙で GaAs 太陽電池が初めて実用化されたのは、1965 年に打ち上げられたベネラ 3 号ミッションです。Kvant 社製の GaAs 太陽電池は、高温環境での性能が高いことから選ばれました。[27] GaAs セルは、同じ理由でルノホート探査車 にも使用されました。 [要出典]
1970年にソ連のジョレス・アルフェロフ率いるチームによりGaAsヘテロ構造太陽電池が開発され、[28] [29] [30]はるかに高い効率が達成された。1980年代初頭には、最高のGaAs太陽電池の効率が従来の結晶シリコンベースの太陽電池を上回った。1990年代には、GaAs太陽電池は、衛星用途の太陽光発電アレイで最も一般的に使用されるセルタイプとしてシリコンに取って代わった。その後、ゲルマニウムおよびインジウムガリウムリン化物層を備えたGaAsベースのデュアルおよびトリプル接合太陽電池が、トリプル接合太陽電池の基礎として開発され、32%を超える記録的な効率を持ち、太陽2,000個分の集中光でも動作することができる。この種の太陽電池は、火星表面を探査した火星探査ローバーのスピリットとオポチュニティに電力を供給した。また、ハッブル望遠鏡と同様に、多くのソーラーカーも太陽電池にGaAsを利用しています。[31]
GaAsベースのデバイスは、29.1%という最高効率の単接合太陽電池の世界記録を保持しています（2019年現在）。この高い効率は、極めて高品質のGaAsエピタキシャル成長、AlGaAsによる表面パッシベーション、[32]および薄膜設計による光子リサイクルの促進に起因しています。[33] GaAsベースの太陽光発電は、光から電気への変換の最高効率（2022年現在）も担っており、フラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所の研究者は、 GaAs薄膜太陽光発電セルを波長858ナノメートルの単色レーザー光にさらしたときに68.9%の効率を達成しました。[34]
現在、多接合GaAsセルは既存の太陽光発電セルの中で最も効率が高く、今後もこの傾向が続くと見込まれています。[35] 2022年に、Rocket Labは、逆メタモルフィック多接合（IMM）技術をベースにした効率33.3%の太陽電池を発表しました。 [36] IMMでは、格子整合（格子パラメータが同じ）材料が最初に成長し、次に不整合材料が成長します。最初に最上部のセルであるGaInPが成長し、GaAs基板に格子整合した後、不整合が最小限のGaAsまたはGaInAsの層が続き、最後の層は格子不整合が最も大きくなります。[37]成長後、セルは二次ハンドルに取り付けられ、GaAs基板が取り除かれます。IMMプロセスの主な利点は、格子不整合に応じた逆成長により、より高いセル効率への道が開かれることです。
量子井戸を使用したAl x Ga 1−x As-GaAsデバイスの複雑な設計は、赤外線（QWIP）に敏感になる可能性があります。
GaAsダイオードはX線の検出に使用できる。[38]
GaAs太陽電池の将来展望
GaAs ベースの太陽光発電は太陽電池の効率の点で明らかに優れているが、今日の市場では比較的限られた用途しか使用されていない。世界の発電量と発電能力の両方において、太陽光発電は過去 10 年間で他のどの燃料源 (風力、水力、バイオマスなど) よりも急速に成長している。[39]しかし、GaAs 太陽電池は現在、太陽光発電の普及には採用されていない。これは主に GaAs 太陽電池のコストによるもので、宇宙用途では高性能が求められ、既存の GaAs 技術のそれに応じた高コストが受け入れられている。たとえば、GaAs ベースの太陽光発電は、宇宙船にとって非常に重要なガンマ線と高温変動に対する最高の耐性を示している。[40]しかし、他の太陽電池と比較すると、III-V 太陽電池はシリコンベースの太陽電池などの他の技術よりも 2 桁から 3 桁高価である。[41]このコストの主な原因は、エピタキシャル成長コストとセルが堆積される基板である。
GaAs太陽電池は、有機金属化学気相成長法（MOCVD）や水素化物気相成長法（HVPE）などのエピタキシャル成長技術を利用して製造されるのが一般的です。これらの方法のコストを大幅に削減するには、ツールコスト、スループット、材料コスト、製造効率の改善が必要です。[41]堆積速度を上げるとコストを削減できますが、このコスト削減は、冷却や加熱などのプロセスの他の部分の固定時間によって制限されます。[41]
これらの太陽電池を成長させるのに使用される基板は通常、ゲルマニウムまたはガリウムヒ素であり、これらは非常に高価な材料です。基板コストを削減する主な方法の 1 つは、基板を再利用することです。これを実現するために提案された初期の方法は、エピタキシャル リフトオフ (ELO) ですが、[42]この方法は時間がかかり、やや危険 (フッ化水素酸を使用するため) であり、複数の後処理手順が必要です。ただし、リン化物ベースの材料と塩酸を使用して、表面パッシベーションとエッチング後の残留物を最小限に抑えたELO を実現し、GaAs 基板を直接再利用できるようにする他の方法が提案されています。[43]また、剥離を使用して基板を取り除いて再利用できるという予備的な証拠もあります。 [44]基板コストを削減する別の方法は、より安価な材料を使用することですが、この用途向けの材料は現在市販されておらず、開発もされていません。[41]
GaAs太陽電池のコストを下げるためのもう1つの方法として、集光型太陽光発電が考えられます。集光型太陽光発電はレンズや放物面鏡を使用して光を太陽電池に集中させるため、同じ結果を得るにはより小型の（したがってより安価な）GaAs太陽電池が必要になります。[45]集光型太陽光発電システムは、既存の太陽光発電の中で最も効率が高いです。[46]
そのため、集光型太陽光発電などの技術や、エピタキシャル成長と基板のコストを下げるために開発中の方法は、GaAs 太陽電池のコスト削減につながり、地上用途での使用への道を切り開く可能性があります。
発光装置
GaAsは1962年以来、近赤外レーザーダイオードの製造に使用されてきました。[47]これらの用途では、他の半導体化合物との合金として使用されることがよくあります。
シリコンドナー原子（Gaサイト）とホウ素アクセプター原子（Asサイト）をドープしたN型GaAsは、シンチレーション光子を放出することで電離放射線に反応します。極低温では、知られているシンチレータの中で最も明るいものの一つであり[48] [49] [50]、相互作用する暗黒物質からのまれな電子励起を検出する有望な候補です[51]。これは、次の6つの重要な要素によるものです。
- GaAsのシリコンドナー電子の結合エネルギーは、既知のn型半導体の中で最も低い。1cm3あたり8 × 1015個は「凍結」されず、極低温でも非局在化したままである。[52]
- ホウ素とガリウムはIII族元素であるため、不純物としてのホウ素は主にガリウムサイトを占めます。しかし、十分な数のホウ素がヒ素サイトを占め、価電子帯からイオン化イベントホールを効率的に捕捉するアクセプタとして機能します。[53]
- 価電子帯からイオン化イベントホールを捕捉した後、ホウ素アクセプターは非局在化したドナー電子と放射結合して、極低温バンドギャップエネルギー（1.52 eV）より0.2 eV低い光子を生成することができる。これは、GaAs結晶に吸収されないシンチレーション光子を生成する効率的な放射プロセスである。[49] [50]
- 準安定放射中心は非局在化した電子によって急速に消滅するため、残光は発生しない。これは熱誘起発光がないことからも明らかである。[48]
- N型GaAsは屈折率が高く（約3.5）、狭ビーム吸収係数は自由電子密度に比例し、通常は1 cmあたり数個である。[54] [55] [56]シンチレーション光子のほとんどが結晶内に閉じ込められ吸収されると思われるが、そうではない。最近のモンテカルロ法とファインマン経路積分計算では、狭ビーム吸収のほとんどが絶対吸収ではなく、約5 x 10 −18 cm 2の断面積を持つ伝導電子による新しいタイプの光散乱で、シンチレーション光子が全反射を逃れることができるとすれば、高い光度を説明できることが示された。[57] [58]この断面積はトムソン散乱の約10 7倍であるが、金属ミラー内の伝導電子の光学的断面積に匹敵する。[59]
- N型 GaAs(Si,B) は、10 kg の結晶インゴットとして商業的に成長し、電子回路の基板として薄いウェーハにスライスされます。ホウ素酸化物は、結晶成長中のヒ素の損失を防ぐための封止材として使用されますが、シンチレーション用のホウ素アクセプタを提供するという利点もあります。
光ファイバー温度測定
この目的のために、光ファイバー温度センサーの光ファイバー先端にはガリウムヒ素結晶が取り付けられている。光波長 850 nm から GaAs は光学的に半透明になる。バンドギャップのスペクトル位置は温度に依存するため、約 0.4 nm/K シフトする。測定装置には光源とバンドギャップのスペクトル検出装置が含まれている。バンドギャップ (0.4 nm/K) の変化に応じて、アルゴリズムが温度を計算する (すべて 250 ms)。[60]
スピン電荷変換器
GaAsはスピン電荷変換器においてプラチナの代わりに使用でき、より調整可能である可能性があるため、スピントロニクスへの応用が期待される。 [61]
安全性
ガリウムヒ素源（トリメチルガリウムやアルシンなど）の環境、健康、安全面、および金属有機前駆体の産業衛生モニタリング研究が報告されている。[62]カリフォルニア州はガリウムヒ素を発がん性物質として挙げており[63]、IARCとECAも同様であり[64]、動物に対しては既知の発がん性物質であると考えられている。[65] [66]一方、2013年のレビュー（業界が資金提供）では、これらの分類に反対し、ラットやマウスが（以前の研究のように）微細なGaAs粉末を吸入すると、GaAs自体の主要な発がん性効果ではなく、結果として生じる肺の刺激と炎症によってがんを発症し、さらに、微細なGaAs粉末がGaAsの製造や使用で生成される可能性は低いと述べている。[64]
参照
- アルミニウムヒ素
- アルミニウムガリウムヒ素
- アルシン
- テルル化カドミウム
- アンチモン化ガリウム
- ガリウムヒ素リン
- ガリウムマンガンヒ素
- 窒化ガリウム
- リン化ガリウム
- ヘテロ構造エミッタバイポーラトランジスタ
- インジウムヒ素
- インジウムガリウムヒ素
- リン化インジウム
- 発光ダイオード
- MESFET（金属半導体電界効果トランジスタ）
- モブペ
- 多接合太陽電池
- 光混合によるTHz生成
- トリメチルガリウム
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引用元
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外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、ガリウムヒ素に関連するメディアがあります。
- 環境医学のケーススタディ: ヒ素毒性
- ガリウムヒ素の物理的性質（ヨッフェ研究所）
- ガリウムヒ素の処理に関する事実と数字