El arseniuro de galio ( GaAs ) es un semiconductor de banda prohibida directa III-V con una estructura cristalina de blenda de zinc .
El arseniuro de galio se utiliza en la fabricación de dispositivos como circuitos integrados de frecuencia de microondas , circuitos integrados de microondas monolíticos , diodos emisores de luz infrarroja , diodos láser , células solares y ventanas ópticas. [6]
El GaAs se utiliza a menudo como material de sustrato para el crecimiento epitaxial de otros semiconductores III-V, incluidos el arseniuro de galio e indio , el arseniuro de galio y aluminio y otros.
El arseniuro de galio fue sintetizado y estudiado por primera vez por Victor Goldschmidt en 1926 al pasar vapores de arsénico mezclados con hidrógeno sobre óxido de galio (III) a 600 °C. [7] [8] Las propiedades semiconductoras del GaAs y otros compuestos III-V fueron patentadas por Heinrich Welker en Siemens-Schuckert en 1951 [9] y descritas en una publicación de 1952. [10] La producción comercial de sus monocristales comenzó en 1954, [11] y se realizaron más estudios en la década de 1950. [12] Los primeros LED infrarrojos se fabricaron en 1962. [11]
En el compuesto, el galio tiene un estado de oxidación +3 . Los cristales individuales de arseniuro de galio se pueden preparar mediante tres procesos industriales: [6]
Los métodos alternativos para producir películas de GaAs incluyen: [6] [14]
La oxidación del GaAs ocurre en el aire, lo que degrada el rendimiento del semiconductor. La superficie se puede pasivar depositando una capa de sulfuro de galio(II) cúbico utilizando un compuesto de sulfuro de galio terc-butílico como (a
(Burgos)
7. [15]
En presencia de exceso de arsénico, los bultos de GaAs crecen con defectos cristalográficos ; específicamente, defectos antisitio de arsénico (un átomo de arsénico en un sitio de átomo de galio dentro de la red cristalina). Las propiedades electrónicas de estos defectos (que interactúan con otros) hacen que el nivel de Fermi se fije cerca del centro de la brecha de banda, 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 "semiaislantes", 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 un verdadero aislante como el vidrio). [16]
El grabado húmedo de GaAs utiliza industrialmente un agente oxidante como peróxido de hidrógeno o agua de bromo , [17] 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: [18]
Esta reacción produce ácido arsénico . [19]
El GaAs se puede utilizar para varios tipos de transistores: [20]
El HBT se puede utilizar en lógica de inyección integrada (I2L ) .
La primera puerta lógica de GaAs utilizaba lógica FET amortiguada (BFL). [20]
Desde aproximadamente 1975 hasta 1995 las principales familias lógicas utilizadas fueron: [20]
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 electrones , lo que permite que los transistores de arseniuro de galio funcionen a frecuencias superiores a los 250 GHz. [22] Los dispositivos de GaAs son relativamente insensibles al sobrecalentamiento, debido a su 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 los portadores y una menor resistencia parásita del dispositivo. Estas propiedades superiores son razones convincentes para utilizar circuitos de GaAs en teléfonos móviles , comunicaciones por satélite , enlaces punto a punto de microondas y sistemas de radar de frecuencia más alta . También se utiliza en la fabricación de diodos Gunn para la generación de microondas . [ cita requerida ]
Otra ventaja del GaAs es que tiene una banda prohibida directa , lo que significa que puede utilizarse para absorber y emitir luz de manera eficiente. El silicio tiene una banda prohibida indirecta y, por lo tanto, es relativamente deficiente en la emisión de luz. [ cita requerida ]
Como material de banda ancha directa con la consiguiente resistencia al daño por radiación, GaAs es un material excelente para la electrónica del espacio exterior y las ventanas ópticas en aplicaciones de alta potencia. [22]
Debido a su amplio intervalo de banda, el GaAs puro es altamente resistivo. Combinado con una constante dieléctrica alta , esta propiedad hace que el GaAs sea un sustrato muy bueno para 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 porción de GaAs.
Uno de los primeros microprocesadores GaAs fue desarrollado a principios de la década de 1980 por la RCA Corporation 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 contrapartes de silicio, pero eran más caros. [23] Otros procesadores GaAs fueron implementados por los proveedores de supercomputadoras Cray Computer Corporation, Convex y Alliant en un intento de mantenerse por delante del microprocesador CMOS en constante mejora . Cray finalmente construyó una máquina basada en GaAs a principios de la década de 1990, el Cray-3 , pero el esfuerzo no fue capitalizado adecuadamente y la compañía se declaró en quiebra en 1995.
Se pueden crear estructuras estratificadas complejas de arseniuro de galio en combinación con arseniuro de aluminio (AlAs) o la aleación Al x Ga 1−x As mediante epitaxia de haz molecular (MBE) o mediante epitaxia en fase de vapor metalorgánica (MOVPE). Debido a que GaAs y AlAs tienen casi la misma constante de red , las capas tienen muy poca tensión inducida , lo que permite que se las pueda crear con un grosor casi arbitrario. Esto permite obtener transistores HEMT de alto rendimiento y alta movilidad de electrones y otros dispositivos de pozo cuántico .
El GaAs se utiliza para amplificadores de potencia de radar monolíticos (pero el GaN puede ser menos susceptible al daño por calor). [24]
El silicio tiene tres ventajas principales sobre el GaAs para la fabricación de circuitos integrados. En primer lugar, 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 dificultado la adopción del GaAs. [ cita requerida ]
Además, un cristal de Si tiene una estructura muy estable y se puede cultivar en bolas de diámetro muy grande y procesar 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 la fabricación de circuitos integrados muy grandes . Estas buenas características mecánicas también lo convierten en un material adecuado para el campo de 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. [25]
La segunda gran ventaja del Si es la existencia de un óxido nativo ( dióxido de silicio , SiO2 ) , que se utiliza como aislante . El dióxido de silicio se puede incorporar fácilmente a los circuitos de silicio, y dichas capas son adherentes al silicio subyacente. El SiO2 no solo es un buen aislante (con un intervalo de banda de 8,9 eV ), sino que la interfaz Si-SiO2 se puede diseñar fácilmente para que tenga excelentes propiedades eléctricas, lo más importante, una 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 ni las cualidades de pasivación de la superficie del Si-SiO2 . [ 25]
El óxido de aluminio ( Al2O3 ) se ha estudiado ampliamente como un posible óxido de puerta para GaAs ( así como para InGaAs ).
La tercera ventaja del silicio es que posee una mayor movilidad de huecos en comparación con el GaAs (500 frente a 400 cm 2 V −1 s −1 ). [26] 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 de GaAs deben utilizar 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 de la luz solar relativamente baja, lo que significa que se necesitan unos 100 micrómetros de Si para absorber la mayor parte de la luz solar. Una capa de este tipo es relativamente robusta y fácil de manipular. En cambio, la capacidad de absorción del 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 estar soportadas sobre un material de sustrato. [27]
El silicio es un elemento puro, lo que evita los problemas de desequilibrio estequiométrico y desmezcla térmica del GaAs. [28]
El silicio tiene una red casi perfecta; la densidad de impurezas es muy baja y permite construir estructuras muy pequeñas (hasta 5 nm en producción comercial a partir de 2020 [29] ). Por el contrario, el GaAs tiene una densidad de impurezas muy alta, [30] lo que dificulta la construcción de circuitos integrados con estructuras pequeñas, por lo que el proceso de 500 nm es un proceso común para el GaAs. [ cita requerida ]
El silicio tiene aproximadamente tres veces la conductividad térmica del GaAs, con menos riesgo de sobrecalentamiento local en dispositivos de alta potencia. [24]
Los transistores de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan en amplificadores de potencia de RF para teléfonos celulares y comunicaciones inalámbricas. [31] Las obleas de GaAs se utilizan en diodos láser , fotodetectores y amplificadores de radiofrecuencia (RF) para teléfonos móviles y estaciones base. [32] Los transistores de GaAs también son parte integral de los circuitos integrados de microondas monolíticos (MMIC) , utilizados en sistemas de comunicación por satélite y radar, así como en amplificadores de bajo ruido (LNA) que mejoran las señales débiles. [33] [34]
El arseniuro de galio es un material semiconductor importante para células solares de alto costo y alta eficiencia y se utiliza para células solares de película delgada monocristalinas y para células solares de múltiples uniones . [35]
El primer uso operativo conocido de 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 debido a su mayor rendimiento en entornos de alta temperatura. [36] Las células de GaAs se utilizaron luego para los rovers Lunokhod por la misma razón. [ cita requerida ]
En 1970, el equipo dirigido por Zhores Alferov en la URSS desarrolló las células solares de heteroestructura de GaAs , [37] [38] [39] logrando eficiencias mucho más altas. A principios de la década de 1980, la eficiencia de las mejores células solares de GaAs superó a la de las células solares convencionales basadas en silicio cristalino . En la década de 1990, las células solares de GaAs reemplazaron al silicio como el tipo de célula más comúnmente utilizado para los paneles fotovoltaicos para aplicaciones satelitales. Más tarde, se desarrollaron células solares de doble y triple unión basadas en GaAs con capas de fosfuro de germanio y galio-indio como base de una célula solar de triple unión, que mantuvo una eficiencia récord de más del 32% y puede operar también con luz tan concentrada como 2000 soles. Este tipo de célula solar impulsó los rovers de exploración de Marte Spirit y Opportunity , que exploraron la superficie de Marte . Muchos automóviles solares también utilizan GaAs en paneles solares, como lo hizo el telescopio Hubble. [40]
Los dispositivos basados en GaAs ostentan el récord mundial de célula solar de unión única con la mayor eficiencia, con un 29,1 % (a fecha de 2019). Esta alta eficiencia se atribuye al crecimiento epitaxial de GaAs de altísima calidad, a la pasivación de la superficie por parte del AlGaAs [41] y a la promoción del reciclaje de fotones por parte del diseño de película fina. [42] La energía fotovoltaica basada en GaAs también es responsable de la mayor eficiencia (a fecha de 2022) de conversión de luz en electricidad, ya que los investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar lograron una eficiencia del 68,9 % al exponer una célula fotovoltaica de película fina de GaAs a una luz láser monocromática con una longitud de onda de 858 nanómetros. [43]
En la actualidad, las células de GaAs de múltiples uniones tienen las eficiencias más altas de las células fotovoltaicas existentes y las trayectorias muestran que es probable que esto siga siendo así en el futuro previsible. [44] En 2022, Rocket Lab presentó una célula solar con una eficiencia del 33,3 % [45] basada en la tecnología de múltiples uniones metamórficas invertidas (IMM). En la IMM, los materiales emparejados en red (mismos parámetros de red) se cultivan primero, seguidos de los materiales no coincidentes. La célula superior, GaInP, se cultiva primero y se combina en red con el sustrato de GaAs, seguida de una capa de GaAs o GaInAs con un desajuste mínimo, y la última capa tiene el mayor desajuste en red. [46] Después del crecimiento, la célula se monta en un mango secundario y se retira el sustrato de GaAs. Una de las principales ventajas del proceso IMM es que el crecimiento invertido según el desajuste de red permite un camino hacia una mayor eficiencia celular.
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. [47]
A pesar de que la energía fotovoltaica basada en GaAs es la clara campeona de la eficiencia de las células solares, su uso en el mercado actual es relativamente limitado. Tanto en la generación de electricidad mundial como en la capacidad de generación de electricidad mundial, la electricidad solar está creciendo más rápido que cualquier otra fuente de combustible (eólica, hidroeléctrica, biomasa, etc.) durante la última década. [48] Sin embargo, las células solares de GaAs no se han adoptado actualmente para la generación generalizada de electricidad solar. Esto se debe en gran medida al coste de las células solares de GaAs: en aplicaciones espaciales, se requiere un alto rendimiento y se acepta el correspondiente alto coste de las tecnologías de GaAs existentes. Por ejemplo, la energía fotovoltaica basada en GaAs muestra la mejor resistencia a la radiación gamma y a las altas fluctuaciones de temperatura, que son de gran importancia para las naves espaciales. [49] Pero en comparación con otras células solares, las células solares III-V son dos o tres órdenes de magnitud más caras que otras tecnologías como las células solares basadas en silicio. [50] Las principales fuentes de este coste son los costes de crecimiento epitaxial y el sustrato sobre el que se deposita la célula.
Las células solares de GaAs se fabrican más comúnmente utilizando técnicas de crecimiento epitaxial, como la deposición química en fase de vapor de metal orgánico (MOCVD) y la epitaxia en fase de vapor de hidruro (HVPE). Una reducción significativa de los costos de estos métodos requeriría mejoras en los costos de las herramientas, el rendimiento, los costos de los materiales y la eficiencia de fabricación. [50] Aumentar la tasa de deposición podría reducir los costos, pero esta reducción de costos estaría limitada por los tiempos fijos en otras partes del proceso, como el enfriamiento y el calentamiento. [50]
El sustrato utilizado para hacer crecer estas células solares es generalmente germanio o arseniuro de galio, que son materiales notablemente caros. Una de las principales vías para reducir los costos del sustrato es reutilizar el sustrato. Un método temprano propuesto para lograr esto es el despegue epitaxial (ELO), [51] pero este método consume mucho tiempo, es algo peligroso (por su uso de ácido fluorhídrico ) y requiere múltiples pasos de posprocesamiento. Sin embargo, se han propuesto otros métodos que utilizan materiales basados en fosfuro y ácido clorhídrico para lograr ELO con pasivación de la superficie y residuos mínimos posteriores al grabado y permite la reutilización directa del sustrato de GaAs. [52] También hay evidencia preliminar de que se podría utilizar el desconchado para eliminar el sustrato para su reutilización. [53] Una vía alternativa para reducir el costo del sustrato es utilizar materiales más baratos, aunque los materiales para esta aplicación no están disponibles comercialmente ni desarrollados actualmente. [50]
Otra consideración para reducir los costos de las células solares de GaAs podría ser la energía fotovoltaica de concentración . Los concentradores utilizan lentes o espejos parabólicos para enfocar la luz sobre una célula solar, y por lo tanto se necesita una célula solar de GaAs más pequeña (y por lo tanto menos costosa) para lograr los mismos resultados. [54] Los sistemas de concentración tienen la mayor eficiencia de los sistemas fotovoltaicos existentes. [55]
Por lo tanto, tecnologías como la energía fotovoltaica de concentración y métodos en desarrollo para reducir el crecimiento epitaxial y los costos del sustrato podrían conducir a una reducción en el costo de las células solares de GaAs y abrir un camino para su uso en aplicaciones terrestres.
El GaAs se ha utilizado para producir diodos láser de infrarrojo cercano desde 1962. [56] A menudo se utiliza en aleaciones con otros compuestos semiconductores para estas aplicaciones.
El GaAs de tipo N dopado con átomos donantes de silicio (en sitios Ga) y átomos aceptores de boro (en sitios As) responde a la radiación ionizante emitiendo fotones de centelleo. A temperaturas criogénicas, se encuentra entre los centelleadores más brillantes conocidos [57] [58] [59] y es un candidato prometedor para detectar excitaciones electrónicas raras de materia oscura en interacción, [60] debido a los siguientes seis factores esenciales:
Para ello, la punta de la 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, el GaAs se vuelve ópticamente translúcido. Como la posición espectral de la brecha de banda 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 brecha de banda. Con el cambio de la brecha de banda (0,4 nm/K), un algoritmo calcula la temperatura (todos los 250 ms). [69]
El GaAs puede tener aplicaciones en espintrónica , ya que se puede utilizar en lugar del platino en convertidores de espín-carga y puede ser más ajustable. [70]
Se han informado los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de arseniuro de galio (como el trimetilgalio y la arsina ) y los estudios de monitoreo de higiene industrial de precursores metalorgánicos . [71] California clasifica el arseniuro de galio como carcinógeno , [72] al igual que la IARC y la ECA , [73] y se considera un carcinógeno conocido en animales. [74] [75] 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 e inflamación pulmonar resultante, en lugar de por un efecto cancerígeno primario del GaAs en sí, y que, además, es poco probable que se creen polvos finos de GaAs en la producción o el uso de GaAs. [73]
