Galliumarsenid

Kristallstruktur
Struktur von Galliumarsenid
__ 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 aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [5]
06 – Giftig oder sehr giftig 09 – Umweltgefährlich

Gefahr

H- und P-Sätze H: 301-331-410
P: 261-​301+310-​304+340-​321-​405-​501Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze [4]
EU-Gefahrstoffkennzeichnung aus EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) [5]
Giftig Umweltgefährlich
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.
Vorlage:Infobox Chemikalie/Summenformelsuche nicht möglich


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

GaAs-Kristall

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 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 extrem häufigen Element Silicium wesentlich höheren Preise der deutlich selteneren 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 – meist in Form von Siliciumdioxid –, als es im Galliumarsenid möglich ist. Da im GaAs wegen der im Vergleich zum Silicium deutlich geringeren Mobilität seiner leitenden Defektelektronen (den sogenannten "Löchern") 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

Einzelnachweise

  1. 1,0 1,1 1,2 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. 3,0 3,1 3,2 Datenblatt Galliumarsenid bei AlfaAesar, abgerufen am 7. Februar 2010 (JavaScript erforderlich)..
  4. 4,0 4,1 4,2 Eintrag zu Galliumarsenid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 17. Oktober 2007 (JavaScript erforderlich).
  5. 5,0 5,1 Nicht explizit in EU-Verordnung (EG) 1272/2008 (CLP) gelistet, fällt aber dort mit der angegebenen Kennzeichnung unter den Sammelbegriff „Arsenverbindungen“; Eintrag in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 8. April 2012 (JavaScript erforderlich) Referenzfehler: Ungültiges <ref>-Tag. Der Name „ESIS“ wurde mehrere Male mit einem unterschiedlichen Inhalt definiert.
  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.

Die News der letzten Tage

16.08.2022
Parasitologie | Insektenkunde
Fächerflügler kennen keinen Schmerz
Ein Forschungsteam hat untersucht, wie weibliche Fächerflügler das Trauma der Paarung überstehen.
12.08.2022
Taxonomie
Eine neue Orchideenart aus den Bergen Tansanias
Der Bayreuther Biologe Andreas Hemp hat im Nordosten Tansanias eine bisher unbekannte Orchideenart der Gattung Rhipidoglossum entdeckt.
11.08.2022
Biodiversität | Insektenkunde | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Wie die Biodiversität in Weinbergen am besten gefördert wird
Forschende haben untersucht, wie sich eine biologische, biodynamische und konventionelle Bewirtschaftung in Weinbergen auf die Insektenfauna auswirkt.
11.08.2022
Ökologie | Säugetierkunde
Worin unterscheidet sich eine Stadtfledermaus von einer Landfledermaus?
Manche Fledermausarten kommen eher in Städten als auf dem Land vor.
10.08.2022
Ethologie | Säugetierkunde
Seehunden über die Schulter schauen
Wo finden Seehunde ihre Nahrung?
10.08.2022
Ethologie | Biodiversität
Der soziale Faktor der Tierwanderungen
Eine breite Spanne an Tierarten begibt sich auf große Wanderschaft – von kleinsten Insekten bis hin zu den größten Meeressäugetieren unseres Planeten.
10.08.2022
Mykologie | Genetik | Land-, Forst- und Viehwirtschaft
Wie ein Schadpilz seine Wirtspflanze wehrlos macht
Der Pilz Ustilago maydis befällt Mais und kann seinen Wirt erheblich schädigen.
09.08.2022
Biodiversität
Ursachen für die Vielfalt von Baumarten erforscht
Die Anzahl der in den äquatornahen Regionen wachsenden Baumarten ist signifikant höher als in den weiter nördlichen und südlichen Regionen der Erde.
09.08.2022
Evolution
Spurensuche: Abstammungslinien von Pseudoskorpionen
Die tropischen Wälder der Westghats, einer riesigen Gebirgskette in Westindien, sind die Heimat vieler diverser, insbesondere endemischer Arten.
09.08.2022
Neurobiologie
Können Springspinnen träumen?
Die Konstanzer Biologin Dr.
09.08.2022
Ökologie | Paläontologie | Primatologie
Neues von Orang-Utans und ihren ausgestorbenen Vorfahren
Ökologische Kontinuität zwischen Orang-Utans und ausgestorbenen Vorfahren zeigt Abhängigkeit von intakten Regenwäldern.
04.08.2022
Taxonomie
Neue Spinnengattung nach David Bowie benannt
Der bekannte Spinnenforscher Peter Jäger hat eine neue Gattung aus der Familie der Kammspinnen nach dem verstorbenen Popmusiker David Bowie benannt.
03.08.2022
Mikrobiologie | Toxikologie
Wie bakterielle Toxine bei tödlichen Angriffen wirken
Von Bakterien gebildete Toxine sind schädliche und oft tödliche Substanzen, sie treffen den Wirtsorganismus, wo es am meisten weh tut und fördern Infektionen und Krankheiten.
29.07.2022
Ethologie | Evolution | Primatologie
Kommunikation erleichtert den Schimpansen die Jagd
Ähnlich wie Menschen nutzen Schimpansen Kommunikation, um ihr kooperatives Verhalten zu koordinieren – etwa bei der Jagd.
29.07.2022
Meeresbiologie
Bestäubung durch Krebstiere
Biene des Meeres: Eine kleine Meerassel hilft bei der Befruchtung von Rotalgen.
22.07.2022
Anthropologie | Physiologie | Immunologie
Ekelerregende Videos mit Krankheitsbezug lösen Immunantwort aus
Personen, die mit krankheitsbezogenen ekelerregenden Videos konfrontiert werden, weisen eine erhöhte Konzentration der Antikörper Immunglobulin A im Speichel auf.