แกลเลียมอาร์เซไนด์

แกลเลียมอาร์เซไนด์

Samples of gallium arsenide
ชื่อ
Preferred IUPAC name Gallium arsenide
เลขทะเบียน
เลขทะเบียน CAS	1303-00-0 Y
3D model (JSmol)	รูปภาพแบบโต้ตอบ
เคมสไปเดอร์	14087 Y
ECHA InfoCard	100.013.741
EC Number	215-114-8
MeSH	gallium+arsenide
ผับเคม CID	14770
RTECS number	LW8800000
UN number	1557
CompTox Dashboard (EPA)	DTXSID2023779
InChI InChI=1S/AsH3.Ga.3H/h1H3;;;; N Key: SHVQQKYXGUBHBI-UHFFFAOYSA-N N
SMILES [Ga-].[As+]
คุณสมบัติ
สูตรเคมี	GaAs
มวลโมเลกุล	144.645 g/mol
ลักษณะทางกายภาพ	Very dark red, vitreous crystals
กลิ่น	garlic-like when moistened
ความหนาแน่น	5.3176 g/cm3
จุดหลอมเหลว	1,238 °C (2,260 °F; 1,511 K)
ละลายในน้ำ	insoluble
ความสามารถละลายได้	soluble in HCl insoluble in ethanol, methanol, acetone
Band gap	1.424 eV (at 300 K)
Electron mobility	8500 cm2/(V·s) (at 300 K)
การนำความร้อน	0.55 W/(cm·K) (at 300 K)
ดัชนีหักเหแสง (nD)	3.8
โครงสร้าง
โครงสร้างผลึก	Zinc blende
Space group	T2d-F-43m
Lattice constant	a = 565.35 pm
Coordination geometry	Tetrahedral
รูปร่างโมเลกุล	Linear
ความอันตราย
GHS labelling:
Pictograms
Signal word	อันตราย
Hazard statements	H350, H360F, H372
Precautionary statements	P261, P273, P301+P310, P311, P501
NFPA 704 (fire diamond)	3 1 2 W
เอกสารข้อมูลความปลอดภัย (SDS)	External MSDS
หากมิได้ระบุเป็นอื่น ข้อมูลข้างต้นนี้คือข้อมูลสาร ณ ภาวะมาตรฐานที่ 25 °C [77 °F], 100 kPa N ตรวจสอบ (อะไรคือ YN ?) อ้างอิงกล่องข้อมูล

แกลเลียมอาร์เซไนด์ (Gallium arsenide) เป็นสารประกอบทางเคมี สูตรทางเคมีคือ GaAs แกลเลียมอยู่ในสถานะออกซิเดชัน +3

คุณสมบัติ

แกลเลียมอาร์เซไนด์ เป็นของแข็งสีเทา มีผลึกรูปร่างเป็นลูกบาศก์ ทำปฏิกิริยากับน้ำได้ช้าและรวดเร็วกับกรดที่จะทำให้เกิด arsine สามารถออกซิไดซ์ในอากาศ

การจัดเตรียม

ทำได้จากการทำปฏิกิริยาระหว่างอาร์เซนิกไตรคลอไรด์หรือสารหนูกับแกลเลียม

การใช้

แกลเลียมอาร์เซไนด์ส่วนใหญ่จะใช้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ ดีกว่าซิลิกอนในหลายอย่าง เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำได้เร็วกว่าและใช้พลังมากกว่า LED ที่ใช้แกลเลียมอาร์เซไนด์มีประสิทธิภาพ ในขณะที่ซิลิกอนถูกกว่า ซิลิกอนไดออกไซด์เป็นตัวฉนวนที่ดี แกลเลียมอาร์เซไนด์ไม่ได้เป็นฉนวนที่ดีอย่างซิลิกอน เซมิคอนดักเตอร์แบบซิลิกอนยังใช้พลังงานน้อยกว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์

เปรียบเทียบชิ้นส่วนอิเล็คทรอนิกส์จากแกลเลียมอาร์เซไนด์กับซิลิกอน

ข้อดีของแกลเลียมอาร์เซไนด์

คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์บางประการของแกลเลียมอาร์เซไนด์เหนือกว่าซิลิกอน โดยมีอิเล็กตรอนที่อิ่มตัวสูงกว่าและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่เร็วกว่า ทำให้ทรานซิสเตอร์แกลเลียมอาร์เซไนด์ทำงานที่ความถี่เกิน 250 GHz ได้ อุปกรณ์แกลเลียมอาร์เซไนด์ ค่อนข้างไม่ไวต่อความร้อนสูงเกินไป เนื่องจากมีแบนด์แก๊ปที่กว้างกว่า และยังมีแนวโน้มที่จะสร้างสัญญาณรบกวน (การรบกวนสัญญาณไฟฟ้า) ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์น้อยกว่าอุปกรณ์ซิลิกอน โดยเฉพาะที่ความถี่สูง ซึ่งเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของพาหะที่สูงกว่าและความต้านทานแฝงต่ำกว่า คุณสมบัติที่เหนือกว่าเหล่านี้เป็นเหตุผลสำคัญในการใช้แกลเลียมอาร์เซไนด์ในแผงวงจรโทรศัพท์มือถือ ระบบสื่อสารผ่านดาวเทียม อุปกรณ์สื่อสารแบบจุดต่อจุด(เซลลูลาร์) และระบบเรดาร์ความถี่สูง และคอมพิวเตอร์ควอนตัม นอกจากนี้ยังใช้ในการผลิตไดโอด Gunn สำหรับการผลิตคลื่นไมโครเวฟอีกด้วย ข้อดีอีกประการของแกลเลียมอาร์เซไนด์ คือมีแบนด์แก๊ปแบบโดยตรง ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้ในการดูดซับและปล่อยแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ซิลิกอนมีแบนด์แก๊ปทางอ้อม ดังนั้นจึงดูดซับปล่อยแสงได้ไม่ดีนัก จึงเหมาะกับอุปกรณ์รับส่งออปติกไฟเบอร์ เซลล์ผลิตไฟฟ้าโซล่าร์เซลล์ที่บางมาก ไดโอดเปล่งแสง(LED) เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีแบนด์แก๊ปโดยตรงกว้างซึ่งส่งผลให้ต้านทานความเสียหายจากรังสีได้ แกลเลียมอาร์เซไนด์จึงเป็นวัสดุที่ยอดเยี่ยมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอวกาศและแผ่นครอบตัวรับแสงในอุปกรณ์ให้พลังงานสูง เนื่องจากมีแบนด์แก๊ปที่กว้าง แกลเลียมอาร์เซไนด์บริสุทธิ์จึงมีความต้านทานสูง เมื่อรวมกับค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่สูง คุณสมบัตินี้ทำให้แกลเลียมอาร์เซไนด์ เป็นสารตั้งต้นที่ดีมากสำหรับชิปวงจรรวม(IC) และไม่เหมือนกับซิลิกอนตรงที่มีการแบ่งแยกส่วนระหว่างอุปกรณ์และวงจร ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับวงจรรวมไมโครเวฟแบบโมโนลิธิก (MMIC) ซึ่งสามารถผลิตส่วนประกอบแบบพาสซีฟที่สำคัญบนแกลเลียมอาร์เซไนด์ชิ้นเดี่ยวๆได้อย่างง่ายดาย ไมโครโปรเซสเซอร์จากแกลเลียมอาร์เซไนด์รุ่นแรกๆ ได้รับการพัฒนาขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โดยบริษัท RCA Corporation และได้รับการพิจารณาให้เข้าร่วมโครงการ Star Wars ของกระทรวงกลาโหมสหรัฐอเมริกา โปรเซสเซอร์เหล่านี้เร็วกว่าและทนต่อรังสีได้ดีกว่าโปรเซสเซอร์ซิลิกอนหลายเท่า แต่ก็มีราคาแพงกว่าเช่นกัน โปรเซสเซอร์แกลเลียมอาร์เซไนด์ตัวอื่นๆ ถูกนำมาใช้โดยผู้จำหน่ายซูเปอร์คอมพิวเตอร์อย่าง Cray Computer Corporation, Convex และ Alliant เพื่อพยายามก้าวล้ำหน้าไมโครโปรเซสเซอร์ CMOS ที่พัฒนาอย่างต่อเนื่อง ในที่สุด Cray ก็ได้สร้างซุปเปอร์คอมพวเตอร์ที่ใช้ GaAs หนึ่งเครื่องในช่วงต้นทศวรรษ 1990 ซึ่งก็คือ Cray-3 แต่ความพยายามดังกล่าวไม่ได้รับการสนับสนุนอย่างเพียงพอ และบริษัทจึงได้ยื่นล้มละลายในปี 1995 แกลเลียมอาร์เซไนด์ใช้สำหรับเครื่องขยายกำลังเรดาร์แบบโมโนลิธิก (แต่ถ้าเป็นแกลเลียมไนไตรด์อาจได้รับผลกระทบต่อความเสียหายจากความร้อนน้อยลง)

ข้อดีของซิลิกอน

ซิลิกอนมีข้อได้เปรียบกว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์สำหรับการผลิตวงจรรวม ประการแรก ซิลิกอนมีมากมายและมีราคาถูก ซึ่งรูปแบบของแร่ซิลิเกตตามธรรมชาติ ด้วยขนาดเศรษฐศาสตร์ที่มีให้กับอุตสาหกรรมซิลิกอนยังเป็นการขัดขวางการนำแกลเลียมอาร์เซไนด์มาใช้อีกด้วย นอกจากนี้ ผลึกซิลิกอนยังมีโครงสร้างที่เสถียรมาก และสามารถเพาะให้มีขนาดใหญ่ได้ และนำไปแปรรูปได้โดยมีผลิตภัณฑ์ได้ดีมาก นอกจากนี้ยังเป็นตัวนำความร้อนที่ดีพอสมควร จึงทำให้สามารถบรรจุทรานซิสเตอร์ได้อย่างหนาแน่นมาก ซึ่งทำงานในสภาพมีความร้อนสูงได้ ซึ่งคุณสมบัตินี้เป็นสิ่งจำเป็นอย่างมากสำหรับการออกแบบและการผลิตไอซีขนาดใหญ่ ซิลิกอนมีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีดังกล่าวยังทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับสาขานาโนอิเล็กทรอนิกส์ที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยธรรมชาติแล้ว ซิลิกอนมีค่าการนำความร้อนมากกว่าแกลเลียมอาร์เซไนด์ประมาณสามเท่า โดยมีความเสี่ยงต่อการเกิดความร้อนสูงเกินไปในอุปกรณ์ที่มีกำลังสูงน้อยกว่า ในขณะพื้นผิวของแกลเลียมอาร์เซไนด์ไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงที่จำเป็นสำหรับการแพร่ผลึกได้ ซึ่งทางเลือกที่เป็นไปได้และได้รับการแสวงหาอย่างต่อเนื่องตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 คือการฝังไอออน ซึ่งด้วยเหตุนี้ ชิปซิลิกอนจึงเหมาะกับอุปกรณส่งถ่ายกำลังสูงๆ อย่าง อิเล็คทรอนิกส์กำลัง, เกตไดรว์

ข้อได้เปรียบต่อมาของ Si คือการเกิดชั้นออกไซด์ธรรมชาติ (ซิลิกอนไดออกไซด์ SiO2) ซึ่งใช้เป็นฉนวน ชั้นซิลิกอนไดออกไซด์สามารถรวมเข้ากับวงจรซิลิกอนชิ้นอื่นได้อย่างง่ายดาย และชั้นดังกล่าวจะยึดติดกับซิลิกอนที่อยู่ด้านล่าง SiO2 ไม่เพียงแต่เป็นฉนวนที่ดี (มีแบนด์แก็ป 8.9 eV) เท่านั้น แต่ยังสามารถออกแบบการเชื่อมติด Si-SiO2 ได้อย่างง่ายดาย ซึ่งทำให้มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม โดยที่สำคัญที่สุดคือความหนาแน่นต่ำของสถานะอินเทอร์เฟซ ต่างจากแกลเลียมอาร์เซไนด์ไม่มีออกไซด์โดยธรรมชาติ ไม่รองรับชั้นฉนวนที่มีการยึดเกาะที่เสถียรได้ง่าย และไม่มีคุณสมบัติความแข็งแรงทางไฟฟ้าหรือคุณสมบัติการทำให้พื้นผิวเฉื่อยของ Si-SiO2 (อะลูมิเนียมออกไซด์ (Al2O3) ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในฐานะออกไซด์เกตที่เป็นไปได้สำหรับแกลเลียมอาร์เซไนด์ (เช่นเดียวกับ InGaAs)

ข้อดีต่อมาของซิลิกอนคือมีการเคลื่อนที่ของโฮล์(Hole) ที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับแกลเลียมอาร์เซไนด์ (500 เทียบกับ 400 cm2V−1s−1) การเคลื่อนที่ของโฮล์สูงนี้ทำให้สามารถผลิตทรานซิสเตอร์เอฟเฟกต์สนาม P-channel ที่มีความเร็วสูงกว่า ซึ่งจำเป็นสำหรับลอจิก CMOS ส่วนชิปวงจรแกลเลียมอาร์เซไนด์เนื่องจากไม่มีโครงสร้าง CMOS ที่รวดเร็ว จึงต้องใช้รูปแบบลอจิกที่มีการใช้พลังงานสูงกว่ามาก ซึ่งทำให้ชิปวงจรลอจิกแกลเลียมอาร์เซไนด์ไม่สามารถแข่งขันกับชิปวงจรลอจิกซิลิคอนได้ ในการผลิตเซลล์แสงอาทิตย์ ซิลิกอนมีการดูดซับแสงอาทิตย์ค่อนข้างต่ำ ซึ่งต้องใช้ซิลิกอนหนาประมาณ 100 ไมโครเมตรจึงจะดูดซับแสงอาทิตย์ได้มากที่สุด ซึ่งชั้นดังกล่าวมีความแข็งแรงและหนา จึงจัดการดูแลและประกอบได้ง่าย ในขณะการดูดซับของแกลเลียมอาร์เซไนด์นั้นสูงมากจนใช้ความหนาเพียงไม่กี่ไมโครเมตรเท่านั้น ดังนั้น ฟิล์มบางของแกลเลียมอาร์เซไนด์ จะต้องมีการรองรับบนวัสดุพื้นผิวอื่นที่แข็งแรง ซิลิกอนเป็นธาตุบริสุทธิ์ซึ่งจะไม่มีปัญหาของความไม่สมดุลของสโตอิชิโอเมตริกและการแยกตัวออกจากกันทางความร้อนแบบที่อาจพบกับแกลเลียมอาร์เซไนด์ ซิลิกอนมีโครงสร้างตาข่ายที่เกือบสมบูรณ์แบบ สิ่งเจือปนต่ำมากและทำให้สามารถสร้างโครงสร้างขนาดเล็กได้ (ลดลงเหลือ 5 นาโนเมตรในการผลิตเชิงพาณิชย์ ณ ปี พ.ศ.2563) ในทางตรงกันข้าม แกลเลียมอาร์เซไนด์มีสิ่งเจือปนสูงมาก ซึ่งทำให้การสร้างชิปวงจรรวมที่มีโครงสร้างขนาดเล็กทำได้ยาก ดังนั้นการทำได้เล็กสุดขนาด 500 นาโนเมตรจึงเป็นเรื่องปกติสำหรับชิปแกลเลียมอาร์เซไนด์