Gallium-Arsenid

Kristallstruktur
__ Ga3+     __ As3−
Allgemeines
Name	Galliumarsenid
Verhältnisformel	GaAs
CAS-Nummer	1303-00-0
Kurzbeschreibung	grauer Feststoff
Eigenschaften
Molare Masse	144,64 g/mol
Aggregatzustand	fest
Dichte	5,31 g·cm–3[1]
Schmelzpunkt	1238 °C[1]
Dampfdruck	984 mbar (1238 °C)[2]
Löslichkeit	unlöslich, reagiert mit Wasser[1]
Sicherheitshinweise
Gefahrstoffkennzeichnung aus RL 67/548/EWG, Anh. I [3] 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[2]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.

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 0,56533 Nanometer (= 5,6533 Ångström), dies entspricht 4,43 · 10²² Atome/cm³. Die Energielücke bei 300 K (Raumtemperatur) beträgt 1,424 eV. Die Dichte beträgt 5,315 g/cm³. Der 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 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 Äquivalente 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. Ähnliche Module werden auch bei dem Bau von modernen Radaren mit aktiver elektronischer Strahlenschwenkung verwendet, welche aufgrund ihrer Leistungsdichte und Zuverlässigkeit hauptsächlich im militärischen Flugzeugbau verwendung 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, 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. 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 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.

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.

Hersteller

• American Xtal Technology, Inc. (AXT) http://www.axt.com
• Hitachi Cable http://www.hitachi-cable.com
• Freiberger Compound Materials GmbH (FCM) http://www.fcm-germany.com
• Sumitomo Electric http://www.sumitomo.com

Siehe auch

Festkörperphysik, Halbleiterphysik

Quellen

1. ↑ ^{a b c} Sicherheitsdatenblatt (alfa-aesar)
2. ↑ ^{a b} Eintrag zu Galliumarsenid in der GESTIS-Stoffdatenbank des BGIA, abgerufen am 17.10.2007 (JavaScript erforderlich)
3. ↑ 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 BGIA, abgerufen am 31. März 2009 (JavaScript erforderlich)

Literatur

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

Weblinks

• Physikalische Daten, Ioffe-Institut St. Petersburg (englisch)