Galliumarsenid
Die binäre Verbindung Galliumarsenid (GaAs) ist ein Halbleiterwerkstoff, der sowohl halbleitend als auch halbisolierend sein kann. Die auf diesem Substratmaterial aufbauenden Verbindungen und Epitaxie-Schichten sind das Ausgangsprodukt zur Herstellung elektronischer Bauelemente für Hochfrequenz-Anwendungen und für die Umwandlung von elektrischen in optische Signale.
Galliumarsenid kristallisiert kubisch in der Zinkblende-Struktur, das heißt, es besteht aus zwei ineinandergestellten kubisch-flächenzentrierten Gittern, je mit Gallium- (Gruppe III) bzw. Arsen-Atomen (Gruppe V) besetzt, die um ein Viertel der Raumdiagonalen der kubischen Einheitszelle gegeneinander verschoben sind. Die Gitterkonstante beträgt bei Raumtemperatur 5,6533 Ångström. Die Atomdichte ist 4,43 x 10²² Atome/cm³. Die Energielücke beträgt 1,514 eV. Das spezifische Gewicht ist 5,315 g/cm³. Der Schmelzpunkt liegt bei 1238°C. In der Grundlagenforschung und der Halbleiterindustrie wird GaAs vor allem im Rahmen des Materialsystems Aluminium-Gallium-Arsenid zur Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen verwendet.
Bauteile aus Galliumarsenid schalten zehnmal schneller als ihre vergleichbaren Pendants aus Silizium, sind zudem weniger störanfällig bei analogen Signalen und haben einen geringeren Energiebedarf. Daher gilt Galliumarsenid als wichtiger Grundstoff für die Telekommunikation. In leistungsfähigen Mobiltelefonen basieren die Bauelemente (Integrierte Schaltkreise) für den Empfang und das Senden von Signalen auf Galliumarsenid. Darüber hinaus wird Galliumarsenid benutzt, um mit Hilfe von Lasern bzw. oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL) Informationen durch Glasfasernetze zu senden sowie Satelliten mit Energie aus hochspezialisierten Solarzellen (Photovoltaik) zu versorgen. Selbst im Alltag kommt Galliumarsenid zur Anwendung, wie etwa beim Abspielen einer CD, wo ein Laser aus Galliumarsenid zum Musikgenuss verhilft. Ein weiteres wichtiges Produkt sind Leuchtdioden.
Dennoch hat Galliumarsenid das Silizium als Massen-Halbleiter für eher alltägliche Anwendungen nicht verdrängen können. Die Gründe dafür sind der geringere Preis von Silizium, dessen größere Einkristalle, wodurch mehr Chips in einem Durchgang produziert werden können, und die Möglichkeit, in Silizium leichter isolierende Bereiche zu erzeugen, als es im Galliumarsenid möglich ist. Dazu kommt die völlige Ungiftigkeit von Silizium, im Gegensatz zum sehr giftigen Arsen. Ein weiterer Vorteil für die Verwendung von Silizium ist seine Umweltverträglichkeit; Gallium-Arsenid in elektronischen Bauteilen schafft vor allem bei der Entsorgung zusätzlich umweltpolitische Probleme, die gesondert bewältigt werden müssen.
Die Herstellung von Galliumarsenid-Einkristallen erfolgt durch Synthese der beiden Elemente Gallium und Arsen und der daran anschließenden Kristallzüchtung nach dem LEC- (Liquid Encapsulated Czochralski) oder VGF- (Vertical Gradient Freeze) Verfahren. Auf den daraus produzierten Wafer können in der Molekularstrahlepitaxie-Anlage GaAs oder AlGaAs in nahezu perfekter, einkristalliner Qualität aufgewachsen werden. Überlicherweise geschieht dies mit einer Rate von ca. 1 μm/h.
Literatur
- Sadao Adachi, GaAs and related materials, World Scientific, Singapore, 1994.
- Landholt-Börnstein Band III 17/c,d, Springer Verlag Berlin 1984
Siehe auch: Festkörperphysik, Halbleiterphysik