Galliumarsenid

Die binäre Verbindung Galliumarsenid (GaAs) ist ein Halbleiterwerkstoff, der sowohl halbleitend (mit Elementen aus den Gruppen II, IV oder VI des Periodensystems dotiert) als auch semiisolierend (undotiert) 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.

[Bearbeiten] Kristallaufbau

vereinfachte Bandstruktur von GaAs bei 300 K

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 ( = 0,56533nm). Die Atomdichte ist 4,43 · 10²² Atome/cm³. Die Energielücke beträgt 1,424 eV. Das spezifische Gewicht ist 5,315 g/cm³. Der Schmelzpunkt liegt bei 1238 °C.

[Bearbeiten] Anwendungsgebiete

In der Grundlagenforschung und der Halbleiterindustrie wird GaAs vor allem im Rahmen des Materialsystems Aluminiumgalliumarsenid zur Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen verwendet. Bauteile aus Galliumarsenid schalten zehnmal schneller als ihre vergleichbaren Pendants aus Silicium, sind zudem weniger störanfällig bei analogen Signalen und damit aufgebaute elektrische Schaltungen haben einen geringeren Energiebedarf als ihre direkten Equivalente aus Silizium. Daher gilt Galliumarsenid als wichtiger Grundstoff für die Hochfrequenz-Technik, wie z. B. die Telekommunikation. In leistungsfähigen Mobiltelefonen basieren die integrierten Schaltkreise für den Empfang und das Senden von Signalen auf Galliumarsenid.

Darüberhinaus wird Galliumarsenid benutzt, um mit Hilfe von Lasern bzw. oberflächenemittierenden Lasern (VCSEL) Informationen durch Glasfasernetze zu senden sowie Satelliten mit Energie aus hochspezialisierten Solarzellen (Fotovoltaik) zu versorgen. Im Alltag kommt Galliumarsenid in Leucht- und Laserdioden zur Anwendung, wie etwa beim Abspielen einer CD, wo eine Laserdiode zum Musikgenuss verhilft.

Dennoch hat Galliumarsenid das Silicium als Massen-Halbleiter für eher alltägliche Anwendungen nicht verdrängen können. Ein Grund dafür sind die großen Silicium-Einkristalle, die sich mit bewährter Technologie herstellen lassen. So können mehr Chips in einem Durchgang produziert werden, was einen deutlichen Preisvorteil ergibt. Außerdem lassen sich in Silicium leichter isolierende Bereiche erzeugen, als es im Galliumarsenid möglich ist. Da im GaAs auch keine guten p-Kanal-Feldeffekttransistoren realisiert werden können, ist die sehr beliebte, stromsparende CMOS-Schalttechnik in GaAs nicht möglich; dadurch kehrt sich der energetische Vorteil von GaAs für viele Anwendungszwecke ins Gegenteil um.

Dazu kommt noch die völlige Ungiftigkeit von Silicium, im Gegensatz zum sehr giftigen Arsen. Insbesondere bei der Herstellung von GaAs muss sorgfältig vorgegangen werden. Auch schafft Galliumarsenid bei der Entsorgung zusätzliche Probleme.

[Bearbeiten] Herstellung

Die Herstellung von Galliumarsenid-Einkristallen erfolgt aus den beiden Elementen Gallium und Arsen durch Synthese und anschließender Kristallzüchtung nach dem LEC- (Liquid Encapsulated Czochralski) oder VGF- (Vertical Gradient Freeze) Verfahren.

Auf den daraus produzierten Wafer können in der Epitaxie-Anlage GaAs oder AlGaAs in perfekter, einkristalliner Qualität aufgewachsen werden. Üblicherweise geschieht dies mit einer Rate von ca. 1 μm/h abhängig von dem Epitaxieverfahren.