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Arseniuro de galio

El arseniuro de galio ( GaAs ) es un semiconductor de banda prohibida directa III-V con unaestructura 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]

GaAs se utiliza a menudo como material de sustrato para el crecimiento epitaxial de otros semiconductores III-V, incluido el arseniuro de indio y galio , el arseniuro de aluminio y galio y otros.

Preparación y química.

En el compuesto, el galio tiene un estado de oxidación +3 . Los monocristales de arseniuro de galio se pueden preparar mediante tres procesos industriales: [6]

Los métodos alternativos para producir películas de GaAs incluyen: [6] [8]

La oxidación del GaAs se produce en el aire, lo que degrada el rendimiento del semiconductor. La superficie se puede pasivar depositando una capa cúbica de sulfuro de galio (II) utilizando un compuesto de sulfuro de terc-butil galio como (t
Bugas)
7. [9]

Cristales semiaislantes

En presencia de exceso de arsénico, las bolas de GaAs crecen con defectos cristalográficos ; específicamente, defectos de 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 (interactuar con otros) hacen que el nivel de Fermi se fije cerca del centro de la banda prohibida, de modo que este cristal de GaAs tiene una concentración muy baja de electrones y huecos. Esta baja concentración de portador 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 menor que la de un verdadero aislante como el vidrio). [10]

Grabando

El grabado húmedo de GaAs utiliza industrialmente un agente oxidante como peróxido de hidrógeno o agua con bromo , [11] y la misma estrategia se ha descrito en una patente relacionada con el procesamiento de componentes de chatarra que contienen GaAs donde el Ga3+
está complejado con un ácido hidroxámico ("HA"), por ejemplo: [12]

GaAs + H
2oh
2+ "HA" → complejo "GaA" + H
3comoO
4+ 4H
2oh

Esta reacción produce ácido arsénico . [13]

Electrónica

Lógica digital de GaAs

GaAs se puede utilizar para varios tipos de transistores: [14]

El HBT se puede utilizar en lógica de inyección integrada (I 2 L).

La primera puerta lógica de GaAs utilizaba lógica FET amortiguada (BFL). [14]

Desde C.  1975 a 1995 las principales familias lógicas utilizadas fueron: [14]

Comparación con el silicio para electrónica.

Ventajas del GaAs

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 250 GHz. [ cita necesaria ] Los dispositivos de GaAs son relativamente insensibles al sobrecalentamiento, debido a su banda prohibida 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 menores parásitos de dispositivos resistivos. Estas propiedades superiores son razones de peso para utilizar circuitos de GaAs en teléfonos móviles , comunicaciones por satélite , enlaces punto a punto de microondas y sistemas de radar de mayor frecuencia . También se utiliza en la fabricación de diodos Gunn para la generación de microondas . [ cita necesaria ]

Otra ventaja del GaAs es que tiene una banda prohibida directa , lo que significa que puede usarse para absorber y emitir luz de manera eficiente. El silicio tiene una banda prohibida indirecta y, por lo tanto, es relativamente pobre a la hora de emitir luz. [ cita necesaria ]

Como material de banda prohibida amplia y directa con la consiguiente resistencia al daño por radiación, el GaAs es un material excelente para la electrónica del espacio exterior y ventanas ópticas en aplicaciones de alta potencia. [ cita necesaria ]

Debido a su amplia banda prohibida, el GaAs puro es altamente resistivo. Combinada con una constante dieléctrica alta , esta propiedad convierte al GaAs en un muy buen sustrato 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 se pueden producir fácilmente componentes activos y pasivos esenciales en una sola porción de GaAs.

Uno de los primeros microprocesadores de GaAs fue desarrollado a principios de los años 1980 por la Corporación RCA y fue considerado para el programa Star Wars del Departamento de Defensa de Estados Unidos . Estos procesadores eran varias veces más rápidos y varios órdenes de magnitud más resistentes a la radiación que sus homólogos de silicio, pero eran más caros. [16] 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, la Cray-3 , pero el esfuerzo no se capitalizó adecuadamente y la empresa se declaró en quiebra en 1995.

Las estructuras estratificadas complejas de arseniuro de galio en combinación con arseniuro de aluminio (AlAs) o la aleación Al x Ga 1−x As se pueden cultivar utilizando epitaxia de haz molecular (MBE) o epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOVPE). Debido a que GaAs y AlAs tienen casi la misma constante de red , las capas tienen muy poca tensión inducida , lo que les permite crecer con un espesor casi arbitrario. Esto permite transistores HEMT de rendimiento extremadamente alto y alta movilidad de electrones y otros dispositivos de pozos cuánticos .

El GaAs se utiliza para amplificadores de potencia de radar monolíticos (pero el GaN puede ser menos susceptible al daño por calor). [17]

Ventajas del silicio

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 obstaculizado la adopción de GaAs. [ cita necesaria ]

Además, un cristal de Si tiene una estructura muy estable y puede crecer hasta formar bolas de diámetro muy grande y procesarse con muy buenos rendimientos. También es un conductor térmico bastante bueno, lo que permite un empaquetado muy denso de transistores que necesitan deshacerse del calor de funcionamiento, todo ello muy deseable para el diseño y la fabricación de circuitos integrados de gran tamaño . Estas buenas características mecánicas también lo convierten en un material adecuado para el campo de la nanoelectrónica en rápido desarrollo . Naturalmente, una superficie de GaAs no puede soportar las altas temperaturas necesarias para la difusión; sin embargo, una alternativa viable y buscada activamente a partir de la década de 1980 fue la implantación de iones. [18]

La segunda gran ventaja del Si es la existencia de un óxido nativo ( dióxido de silicio , SiO 2 ), que se utiliza como aislante . El dióxido de silicio se puede incorporar fácilmente a los circuitos de silicio y dichas capas se adhieren al silicio subyacente. SiO 2 no sólo es un buen aislante (con una banda prohibida de 8,9 eV ), sino que la interfaz Si-SiO 2 se puede diseñar fácilmente para que tenga excelentes propiedades eléctricas y, lo más importante, 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 superficial del Si-SiO 2 . [18]

El óxido de aluminio (Al 2 O 3 ) se ha estudiado ampliamente como 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 ). [19] 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 tengan 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 fabricar 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. Por el contrario, la absortividad del GaAs es tan alta que sólo se necesitan unos pocos micrómetros de espesor para absorber toda la luz. En consecuencia, las películas delgadas de GaAs deben soportarse sobre un material de sustrato. [20]

El silicio es un elemento puro, evitando los problemas de desequilibrio estequiométrico y desmezcla térmica del GaAs. [21]

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 [22] ). Por el contrario, el GaAs tiene una densidad de impurezas muy alta, [23] 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 necesaria ]

El silicio tiene aproximadamente tres veces la conductividad térmica del GaAs, con menos riesgo de sobrecalentamiento local en dispositivos de alta potencia. [17]

Otras aplicaciones

Células de GaAs de triple unión que cubren MidSTAR-1

Usos de transistores

Los transistores de arseniuro de galio (GaAs) se utilizan en los amplificadores de potencia de RF para teléfonos móviles y comunicaciones inalámbricas. [24]

Células solares y detectores.

El arseniuro de galio es un importante material semiconductor para células solares de alto costo y alta eficiencia y se utiliza para células solares monocristalinas de película delgada y para células solares de uniones múltiples . [25]

El primer uso operativo conocido de células solares de GaAs en el espacio fue para la misión Venera 3 , lanzada en 1965. Se eligieron las células solares de GaAs, fabricadas por Kvant, debido a su mayor rendimiento en entornos de alta temperatura. [26] Luego se utilizaron células de GaAs para los rovers Lunokhod por la misma razón. [ cita necesaria ]

En 1970, el equipo dirigido por Zhores Alferov en la URSS desarrolló células solares de heteroestructura de GaAs , [27] [28] [29] logrando eficiencias mucho mayores. 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 sustituyeron al silicio como el tipo de célula más comúnmente utilizado para paneles fotovoltaicos para aplicaciones satelitales. Posteriormente se desarrollaron células solares de doble y triple unión basadas en GaAs con capas de fosfuro de germanio y galio indio como base para una célula solar de triple unión, que alcanzó una eficiencia récord de más del 32% y puede funcionar también con luz concentrada. como 2.000 soles. Este tipo de célula solar impulsó los vehículos de exploración de Marte Spirit y Opportunity , que exploraron la superficie de Marte . Además, muchos vehículos solares utilizan GaAs en paneles solares, al igual que el Telescopio Hubble. [30]

Los dispositivos basados ​​en GaAs ostentan el récord mundial de célula solar de unión simple de mayor eficiencia con un 29,1% (a partir de 2019). Esta alta eficiencia se atribuye al crecimiento epitaxial de GaAs de extrema alta calidad, la pasivación de la superficie por AlGaAs [31] y la promoción del reciclaje de fotones mediante el diseño de película delgada. [32] La energía fotovoltaica basada en GaAs también es responsable de la mayor eficiencia (a partir de 2022) en la conversión de luz en electricidad, ya que investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar lograron una eficiencia del 68,9 % al exponer una célula fotovoltaica de película delgada de GaAs a Luz láser monocromática con una longitud de onda de 858 nanómetros. [33]

Hoy en día, las células de GaAs de uniones múltiples tienen la mayor eficiencia de las células fotovoltaicas existentes y las trayectorias muestran que es probable que esto siga siendo así en el futuro previsible. [34] En 2022, Rocket Lab presentó una célula solar con una eficiencia del 33,3% [35] basada en tecnología de unión múltiple metamórfica invertida (IMM). En IMM, los materiales que coinciden en la red (mismos parámetros de red) se cultivan primero, seguidos de los materiales que no coinciden. La celda superior, GaInP, se cultiva primero y la red se adapta al sustrato de GaAs, seguida de una capa de GaAs o GaInAs con una discrepancia mínima, y ​​la última capa tiene la mayor discrepancia de red. [36] Después del crecimiento, la célula se monta en un mango secundario y se retira el sustrato de GaAs. Una ventaja principal del proceso IMM es que el crecimiento invertido según el desajuste de la 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 de GaAs se pueden utilizar para la detección de rayos X. [37]

Perspectivas futuras de las células solares de GaAs

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 mundial de electricidad como en la capacidad mundial de generación de electricidad, la electricidad solar está creciendo más rápido que cualquier otra fuente de combustible (eólica, hidroeléctrica, biomasa, etc.) durante la última década. [38] 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 las aplicaciones espaciales se requiere un alto rendimiento y se acepta el correspondiente elevado 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. [39] 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. [40] Las principales fuentes de este costo son los costos 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 de vapor organometálico (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 materiales y la eficiencia de fabricación. [40] 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. [40]

El sustrato utilizado para cultivar estas células solares suele ser germanio o arseniuro de galio, materiales notablemente caros. Una de las principales vías para reducir los costos del sustrato es reutilizarlo. Uno de los primeros métodos propuestos para lograr esto es el despegue epitaxial (ELO), [41] pero este método requiere mucho tiempo, es algo peligroso (con el uso de ácido fluorhídrico ) y requiere múltiples pasos de posprocesamiento. Sin embargo, se han propuesto otros métodos que utilizan materiales a base de fosfuro y ácido clorhídrico para lograr ELO con pasivación de la superficie y residuos mínimos de post- grabado y permiten la reutilización directa del sustrato de GaAs. [42] También hay evidencia preliminar de que el desconchado podría usarse para eliminar el sustrato para su reutilización. [43] Una vía alternativa para reducir el costo del sustrato es utilizar materiales más baratos, aunque actualmente no hay materiales disponibles comercialmente ni desarrollados para esta aplicación. [40]

Otra consideración más para reducir los costos de las células solares de GaAs podría ser la instalación de concentradores fotovoltaicos . Los concentradores utilizan lentes o espejos parabólicos para enfocar la luz en una célula solar y, por tanto, se necesita una célula solar de GaAs más pequeña (y por tanto menos costosa) para lograr los mismos resultados. [44] Los sistemas concentradores tienen la mayor eficiencia de la energía fotovoltaica existente. [45]

Por lo tanto, tecnologías como los concentradores fotovoltaicos y los métodos en desarrollo para reducir el crecimiento epitaxial y los costos de los sustratos podrían conducir a una reducción en el costo de las células solares de GaAs y abrir un camino para su uso en aplicaciones terrestres.

Dispositivos emisores de luz

Estructura de bandas de GaAs. La brecha directa de GaAs da como resultado una emisión eficiente de luz infrarroja a 1,424 eV (~870 nm).

GaAs se ha utilizado para producir diodos láser de infrarrojo cercano desde 1962. [46] 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 de Ga) y átomos aceptores de boro (en sitios de As) responde a la radiación ionizante emitiendo fotones de centelleo. A temperaturas criogénicas, se encuentra entre los centelleadores más brillantes conocidos [47] [48] [49] y es un candidato prometedor para detectar excitaciones electrónicas raras procedentes de la interacción de la materia oscura, debido a los siguientes seis factores esenciales:

  1. Los electrones donantes de silicio en GaAs tienen una energía de enlace que se encuentra entre las más bajas de todos los semiconductores de tipo n conocidos . Electrones libres arriba8 × 10 15 por cm 3 no se "congelan" y permanecen deslocalizados a temperaturas criogénicas. [50]
  2. El boro y el galio son elementos del grupo III, por lo que el boro como impureza ocupa principalmente el sitio del galio. Sin embargo, un número suficiente ocupa el sitio de arsénico y actúa como aceptor que atrapa eficientemente los agujeros de eventos de ionización de la banda de valencia. [51]
  3. Después de atrapar un agujero de evento de ionización de la banda de valencia, los aceptores de boro pueden combinarse radiativamente con electrones donantes deslocalizados para producir fotones 0,2 eV por debajo de la energía de la banda prohibida criogénica (1,52 eV). Se trata de un proceso radiativo eficaz que produce fotones de centelleo que no son absorbidos por el cristal de GaAs. [48] ​​[49]
  4. No hay resplandor, porque los centros radiativos metaestables son rápidamente aniquilados por los electrones deslocalizados. Esto se evidencia por la falta de luminiscencia inducida térmicamente. [47]
  5. El GaAs de tipo N tiene un índice de refracción alto (~3,5) y el coeficiente de absorción de haz estrecho es proporcional a la densidad de electrones libres y normalmente varios por cm. [52] [53] [54] Uno esperaría que casi todos los fotones de centelleo quedaran atrapados y absorbidos en el cristal, pero este no es el caso. Cálculos recientes de la integral de trayectoria de Monte Carlo y Feynman han demostrado que la alta luminosidad podría explicarse si la mayor parte de la absorción del haz estrecho no es absorción absoluta sino un nuevo tipo de dispersión óptica de los electrones de conducción con una sección transversal de aproximadamente 5 x 10 −18. cm 2 que permite que los fotones de centelleo escapen a la reflexión interna total. [55] [56] Esta sección transversal es aproximadamente 10 7 veces mayor que la dispersión de Thomson, pero comparable a la sección transversal óptica de los electrones de conducción en un espejo metálico. [57]
  6. El GaAs(Si,B) de tipo N se cultiva comercialmente en forma de lingotes de cristal de 10 kg y se corta en finas obleas como sustratos para circuitos electrónicos. El óxido de boro se utiliza como encapsulante para prevenir la pérdida de arsénico durante el crecimiento de los cristales, pero también tiene la ventaja de proporcionar aceptores de boro para el centelleo.

Medición de temperatura por fibra óptica

Para ello, la punta de 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. Dado que la posición espectral de la banda prohibida 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 banda prohibida. Con el cambio de la banda prohibida (0,4 nm/K), un algoritmo calcula la temperatura (todos 250 ms). [58]

Convertidores de carga de giro

GaAs puede tener aplicaciones en espintrónica, ya que puede usarse en lugar de platino en convertidores de carga de espín y puede ser más sintonizable. [59]

Seguridad

Se han informado sobre los aspectos ambientales, de salud y seguridad de las fuentes de arseniuro de galio (como trimetilgalio y arsina ) y estudios de monitoreo de la higiene industrial de precursores metalorgánicos . [60] California enumera el arseniuro de galio como carcinógeno , [61] al igual que la IARC y la ECA , [62] y se considera un carcinógeno conocido en animales. [63] [64] Por otro lado, una revisión de 2013 (financiada por la industria) argumentó en contra de estas clasificaciones, diciendo que cuando ratas o ratones inhalan polvos finos de GaAs (como en estudios anteriores), contraen cáncer debido a la irritación pulmonar resultante y inflamación, en lugar de un efecto cancerígeno primario del propio GaAs, y que, además, es poco probable que se creen polvos finos de GaAs en la producción o uso de GaAs. [62]

Ver también

Referencias

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fuentes citadas

enlaces externos

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