Galliumarsenid

Kristallstruktur
__ Ga3+     __ As3−
Kristallsystem	kubisch[1]
Raumgruppe	$F\bar{4}3m$[1]
Gitterkonstanten	a = 565,33 pm[1]
Allgemeines
Name	Galliumarsenid
Verhältnisformel	GaAs
CAS-Nummer	1303-00-0
Kurzbeschreibung	dunkelgrauer Feststoff[2]
Eigenschaften
Molare Masse	144,64 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	5,31 g·cm−3[3]
Schmelzpunkt	1238 °C[3]
Dampfdruck	984 hPa (1238 °C)[4]
Löslichkeit	reagiert mit Wasser[3]
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [4] Gefahr H- und P-Sätze H: 301-331-410 EUH: keine EUH-Sätze P: 261-​301+310-​304+340-​321-​405-​501Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze [4] EU-Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [5] Giftig Umwelt- gefährlich (T) (N) R- und S-Sätze R: 23/25-50/53 S: (1/2)-20/21-28-45-60-61
MAK	nicht festgelegt, da cancerogen[4]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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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 werden zur Herstellung elektronischer Bauelemente benötigt, die bei Hochfrequenzanwendungen und für die Umwandlung elektrischer in optische Signale eingesetzt werden.

Kristallstruktur

Vereinfachte Bandstruktur von GaAs bei Raumtemperatur (300 K)

Galliumarsenid kristallisiert im kubischen Kristallsystem in der Raumgruppe $F \bar 4 3m$ mit dem Gitterparameter a = 5,653 Å sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle und ist isotyp zur Struktur der Zinkblende^[6]. Die Kristallstruktur besteht aus zwei ineinandergestellten kubisch-flächenzentrierten Gittern (kubisch-dichteste Kugelpackungen), die von Gallium- (Gruppe III) bzw. Arsen-Atomen (Gruppe V) aufgebaut werden und die um ein Viertel der Raumdiagonalen der kubischen Elementarzelle gegeneinander verschoben sind. Die Galliumatome besetzen damit die Hälfte der Tetraederlücken der Packung aus Arsenatomen und umgekehrt. Galliumarsenid ist ein intrinsischer direkter Halbleiter mit einer Bandlücke von 1,424 eV bei Raumtemperatur (300 K). Die Dichte der Verbindung beträgt 5,315 g/cm³, ihr Schmelzpunkt liegt bei 1238 °C.

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 weisen eine ca. zehnmal so hohe Transitfrequenz wie ihre vergleichbaren Pendants aus Silicium auf. Sie weisen geringeres Rauschen auf und damit aufgebaute elektrische Schaltungen haben einen geringeren Energiebedarf als ihre direkten Äquivalente aus Silicium. Galliumarsenid ist ein Basismaterial für High-Electron-Mobility-Transistoren welche in der Hochfrequenztechnik eingesetzt werden. Daraus lassen sich rauscharme Hochfrequenzverstärker (LNA) aufbauen, welche unter anderem in der Satellitenkommunikation oder bei Radaranlagen Anwendung finden.

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. Im Alltag kommt Galliumarsenid in Leucht- und Laserdioden zur Anwendung.

Dennoch hat Galliumarsenid das Silicium als Massen-Halbleiter für eher alltägliche Anwendungen nicht verdrängen können. Die hauptsächlichen Gründe dafür sind die im Vergleich zu Silicium wesentlich höheren Preise der Ausgangsstoffe Gallium und Arsen, sowie die aufwändigere Technologie zur Herstellung von Einkristallen. Dieser hohe technologische Aufwand begrenzt zugleich die Masse und den Durchmesser der Galliumarsenid-Einkristalle. 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 CMOS-Schaltungstechnik 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.

Herstellung

Die Herstellung von Galliumarsenid-Einkristallen (Kristallzüchtung) erfolgt aus einer Schmelze der beiden Elemente Gallium und Arsen durch dampfdruckgesteuerte Tiegelziehverfahren, beispielsweise „Liquid Encapsulated Czochralski“- oder „Vertical Gradient Freeze“-Verfahren (LEC bzw. VGF-Verfahren). Stand der Technik sind Wafer mit einem Durchmesser von 150 mm, wobei die Möglichkeit zur Fertigung von Wafern mit 200 mm Durchmesser nachgewiesen wurde. GaAs- oder AlGaAs-Schichten können epitaktisch auf entsprechenden Substraten hergestellt werden, solche Schichten sind ebenfalls Einkristalle. Üblicherweise geschieht dies mit einer Rate von ca. 1 µm/h abhängig von dem Epitaxieverfahren.

Siehe auch

Festkörperphysik, Halbleiterphysik

Literatur

• S. Adachi: GaAs and related materials : Bulk semiconducting and superlattice properties. World Scientific, Singapore 1994, ISBN 981-02-1925-3.
• O. Madelung, M. Schulz, H. Weiss: Semiconductors : Technology of Si, Ge and SiC. In: Landolt-Bornstein - Group III: Condensed Matter. 17c, Springer, Berlin 1984, ISBN 0-387-11474-2.
• M. Schulz, H. Weiss: Semiconductors : Technology of III-V, II-VI and non-tetrahedrally bonded compounds. In: Landolt-Bornstein - Group III: Condensed Matter. 17d, Springer, Berlin 1984, ISBN 0-387-11779-2.

Weblinks

• Physical properties of Gallium Arsenide (GaAs). Ioffe-Institut St. Petersburg, abgerufen am 10. Juni 2010 (englisch).
• Katherine Bourzac: Der bessere Halbleiter. Technology Review, 26. Mai 2010, abgerufen am 10. Juni 2010.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c} http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/GaAs/basic.html
2. ↑ Thieme Chemistry (Hrsg.): RÖMPP Online - Version 3.5. Georg Thieme Verlag KG, Stuttgart 2009.
3. ↑ ^{a b c} Datenblatt Galliumarsenid bei AlfaAesar, abgerufen am 7. Februar 2010 (JavaScript erforderlich)..
4. ↑ ^{a b c d} Eintrag zu Galliumarsenid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 17. Oktober 2007 (JavaScript erforderlich).
5. ↑ Nicht explizit in RL 67/548/EWG, Anh. I gelistet, fällt aber dort mit der angegebenen Kennzeichnung unter den Sammelbegriff „Arsenverbindungen“; Eintrag in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 31. März 2009 (JavaScript erforderlich)
6. ↑ I. Uschmann, T. Kämpfer, F. Zamponi, A. Lübcke, U. Zastrau, R. Loetzsch, S. Höfer, A. Morak, E. Förster: Investigation of fast processes in condensed matter by time-resolved X-ray diffraction. In: Applied Physics A: Materials Science & Processing. 96, Nr. 1, 2009, S. 91–98, doi:10.1007/s00339-009-5187-1.