6.11: Propiedades del arseniuro de galio
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Galio: el elemento
El elemento galio fue predicho, como eka-aluminio, por Mendeleev en 1870, y posteriormente descubierto por Lecoq de Boisbaudran en 1875; de hecho, de Boisbaudran llevaba algunos años buscando el elemento faltante, con base en su propia teoría independiente. La primera indicación experimental de galio vino con la observación de dos nuevas líneas violetas en el espectro de chispa de una muestra depositada sobre zinc. Dentro de un mes de estos resultados iniciales de Boisbaudran había aislado 1 g del metal a partir de varios cientos de kilogramos de mineral de blenda de zinc crudo. El nuevo elemento fue nombrado en honor a Francia (Latin Gallia), y la sorprendente similitud de sus propiedades físicas y químicas con las predichas por Mendeleev (Tabla\(\PageIndex{1}\)) hizo mucho para establecer la aceptación general de la Ley periódica; en efecto, cuando de Boisbaudran afirmó por primera vez que el la densidad de Ga fue 4.7 g/cm 3 en lugar de la prevista 5.9 g/cm 3, Mendeleev le escribió sugiriendo que redetermine el valor (el valor correcto es 5.904 g/cm 3).
| Propiedad | Predicción de Mendeleev (1871) para eka-aluminio, M | Propiedades observadas del galio (descubierto 1875) |
|---|---|---|
| Peso atómico | ca. 68 | 69.72 |
| Densidad, g.cm -3 | 5.9 | 5.904 |
| Punto de fusión | Bajo | 29.78 |
| Presión de vapor | No volátil | 10 -3 mmHg, 1000 °C |
| Valence | 3 | 3 |
| Óxido | M 2 O 3 | Ga 2 O 3 |
| Densidad de óxido (g/cm 3) | 5.5 | 5.88 |
| Propiedades del metal | M debe disolverse lentamente en ácidos y álcalis y ser estable en el aire | El metal Ga se disuelve lentamente en ácidos y álcalis y es estable en el aire |
| Propiedades del hidróxido | M (OH) 3 debe disolverse tanto en ácidos como en álcalis | Ga (OH) 3 se disuelve tanto en ácidos como en álcalis |
| Propiedades de las sales | Las sales M tenderán a formar sales básicas; el sulfato debe formar alumnas; M 2 S 3 debe precipitarse por H 2 S o (NH 4) 2 S; el MCl 3 anhidro debe ser más volátil que ZnCl 2 | Las sales de Ga se hidrolizan fácilmente y forman sales básicas; se conocen alumbres; Ga 2 S 3 puede precipitarse en condiciones especiales por H 2 S o (NH 4) 2 S, GaCl 3 anhidro es más volátil que ZnCl 2. |
El galio tiene un hermoso aspecto azul plateado; moja vidrio, porcelana y la mayoría de las otras superficies (excepto cuarzo, grafito y Teflon ®) y forma un espejo brillante cuando se pinta sobre vidrio. El radio atómico y el primer potencial de ionización del galio son casi idénticos a los del aluminio y los dos elementos con frecuencia se parecen entre sí en sus propiedades químicas. Ambos son anfóteros, pero el galio es menos electropositivo como lo indica su menor potencial de electrodo. Las diferencias en la química de los dos elementos pueden estar relacionadas con la presencia de un conjunto lleno de orbitales 3d en galio.
El galio es mucho menos abundante que el aluminio y tiende a ocurrir a bajas concentraciones en minerales sulfurados en lugar de como óxidos, aunque el galio también se encuentra asociado con el aluminio en la bauxita. La principal fuente de galio es como subproducto de la refinación del aluminio. A 19 ppm de la corteza terrestre, el galio es aproximadamente tan abundante como el nitrógeno, el litio y el plomo; es dos veces más abundante que el boro (9 ppm), pero es más difícil de extraer debido a la falta de cualquier mineral importante que contenga galio. El galio siempre ocurre en asociación ya sea con zinc o germanio, sus vecinos en la tabla periódica, o con aluminio en el mismo grupo. Así, las concentraciones más altas (0.1 - 1%) se encuentran en el mineral raro germanita (un sulfuro complejo de Zn, Cu, Ge y As); las concentraciones en esfalerita (ZnS), bauxita o carbón son cien veces menos.
Pnictides de galio
El uso principal del galio es en la tecnología de semiconductores. Por ejemplo, los GaAs y compuestos relacionados pueden convertir la electricidad directamente en luz coherente (diodos láser) y se emplea en diodos electroluminiscentes emisores de luz (LED's); también se utiliza para dopar otros semiconductores y en dispositivos de estado sólido como transistores bipolares de heterounión (HBTs) y alta transistores de efecto de campo semiconductores metálicos de alta velocidad de potencia (MESFET). El compuesto MgGa 2 O 4 se utiliza en polvos activados por ultravioleta como fósforo verde brillante utilizado en las copiadoras Xerox. Los usos menores son como sellos líquidos de alta temperatura, fluidos manométricos y medios de transferencia de calor, y para soldaduras a baja temperatura.
Sin duda los compuestos binarios del galio con mayor interés industrial son los de los elementos del Grupo 15 (V), GaE (E = N, P, As, Sb). Los compuestos que forma galio con nitrógeno, fósforo, arsénico y antimonio son isoelectrónicos con los elementos del Grupo 14. Ha habido un interés considerable, particularmente en las propiedades físicas de estos compuestos, desde 1952 cuando Welker demostró por primera vez que tenían propiedades semiconductoras análogas a las del silicio y el germanio.
El fosfuro de galio, el arseniuro y el antimoniuro se pueden preparar por reacción directa de los elementos; esto normalmente se realiza en tubos de sílice sellados o en un crisol de grafito bajo hidrógeno. Los datos del diagrama de fases son difíciles de obtener en el sistema galio-fósforo debido a la pérdida de fósforo del material a granel a temperaturas elevadas. Así, GaP tiene una presión de vapor de más de 13.5 atm en su punto de fusión; en comparación con 0.89 atm para GaAs. Las propiedades físicas de estos tres compuestos se comparan con las del nitruro en la Tabla\(\PageIndex{2}\). Los tres adoptan la estructura cristalina de blenda de zinc y son más altamente conductores que el nitruro de galio.
| Propiedad | GaN | GaP | GaAs | GasB |
|---|---|---|---|---|
| Punto de fusión (°C) | > 1250 (dic) | 1350 | 1240 | 712 |
| Densidad (g/cm 3) | ca. 6.1 | 4.138 | 5.3176 | 5.6137 |
| Estructura cristalina | Würtzite | blenda de zinc | blenda de zinc | blenda de zinc |
| Dímen celular. (Å) a | a = 3.187, c = 5.186 | a = 5.4505 | a = 5.6532 | a = 6.0959 |
| Índice de refracción b | 2.35 | 3.178 | 3.666 | 4.388 |
| k (ohmios -1 cm -1) | 10 -9 - 10 -7 | 10 -2 - 10 2 | 10 -6 - 10 3 | 6 - 13 |
| Separación de banda (eV) c | 3.44 | 2.24 | 1.424 | 0.71 |
Arsénico de galio versus silicio
El arseniuro de galio es un semiconductor compuesto con una combinación de propiedades físicas que lo ha convertido en un candidato atractivo para muchas aplicaciones electrónicas. A partir de una comparación de varias propiedades físicas y electrónicas de GaAs con las de Si (Tabla\(\PageIndex{3}\)), se pueden determinar fácilmente las ventajas de GaAs sobre Si. Desafortunadamente, las muchas propiedades deseables del arseniuro de galio están compensadas en gran medida por una serie de propiedades indeseables, que han limitado las aplicaciones de los dispositivos basados en GaAs hasta la fecha.
| Propiedades | GaAs | Si |
|---|---|---|
| Peso de la fórmula | 144.63 | 28.09 |
| Estructura cristalina | blenda de zinc | diamante |
| Constante de celosía | 5.6532 | 5.43095 |
| Punto de fusión (°C) | 1238 | 1415 |
| Densidad (g/cm 3) | 5.32 | 2.328 |
| Conductividad térmica (W/cm.K) | 0.46 | 1.5 |
| Banda prohibida (eV) a 300 K | 1.424 | 1.12 |
| Transportador intrínseco conc. (cm -3) | 1.79 x 10 6 | 1.45 x 10 10 |
| Resistividad intrínseca (ohm.cm) | 10 8 | 2.3 x 10 5 |
| Campo de desglose (V/cm) | 4 x 10 5 | 3 x 10 5 |
| Vida (s) de los transportistas minoritarios | 10 -8 | 2.5 x 10 -3 |
| Movilidad (cm 2 /V.s) | 8500 | 1500 |
Brecha de banda
La brecha de banda de GaAs es de 1.42 eV; resultando en la emisión de fotones en el rango infrarrojo. Alear GaAs con Al para dar Al x Ga 1-x As puede extender la brecha de banda en el rango rojo visible. A diferencia del Si, el intervalo de banda de GaAs es directo, es decir, la transición entre el máximo de banda de valencia y el mínimo de banda de conducción no implica ningún cambio de momento y por lo tanto no requiere una interacción colaborativa de partículas para que ocurra. Por lo tanto, la generación de fotones por recombinación radiativa entre bandas es posible en GaAs. Mientras que en Si, con una banda prohibida indirecta, este proceso es demasiado ineficiente para ser de utilidad. La capacidad de convertir la energía eléctrica en luz forma la base del uso de GaAs, y sus aleaciones, en optoelectrónica; por ejemplo en diodos emisores de luz (LEDs), láseres de estado sólido (amplificación de luz por la emisión estimulada de radiación).
Un inconveniente significativo de los semiconductores de banda pequeña, como el Si, es que los electrones pueden promoverse térmicamente desde la banda de valencia a la banda de conducción. Así, con el aumento de la temperatura, la generación térmica de portadores eventualmente se vuelve dominante sobre el nivel intencionalmente dopado de portadores. El espacio de banda más amplio de GaAs le da la capacidad de permanecer 'intencionalmente' semiconductor a temperaturas más altas; los dispositivos GaAs son generalmente más estables a altas temperaturas que los dispositivos de Si similares.
Densidad portadora
La baja densidad de portador intrínseco de GaAs en una forma pura (no dopada) indica que GaAs es intrínsecamente un conductor muy pobre y comúnmente se conoce como semiaislante. Esta propiedad suele ser alterada añadiendo dopantes del tipo p- (positivo) o n- (negativo). Esta propiedad semiaislante permite que muchos dispositivos activos se cultiven sobre un solo sustrato, donde el GaAs semi-aislante proporciona el aislamiento eléctrico de cada dispositivo; una característica importante en la miniaturización de circuitos electrónicos, es decir, VLSI (integración a muy gran escala) que involucra más de 100,000 componentes por chip (un chip suele estar entre 1 y 10 mm cuadrados).
Movilidad de electrones
La mayor movilidad de electrones en GaAs que en Si significa potencialmente que en dispositivos donde el tiempo de tránsito de electrones es el parámetro de rendimiento crítico, los dispositivos GaAs operarán con tiempos de respuesta más altos que los dispositivos de Si equivalentes. Sin embargo, el hecho de que la movilidad del agujero sea similar tanto para GaAs como para Si significa que los dispositivos que dependen del movimiento cooperativo de electrones y agujeros, o solo el movimiento del agujero, no muestran mejora en el tiempo de respuesta cuando se basan en GaAs.
Crecimiento de cristales
El crecimiento de cristales a granel de GaAs presenta un problema de control estequiométrico debido a la pérdida, por evaporación, de arsénico tanto en la masa fundida como en el cristal en crecimiento (> ca. 600 °C). Por lo tanto, las técnicas de crecimiento en estado fundido están diseñadas para permitir mantener una sobrepresión de arsénico por encima de la masa fundida, evitando así pérdidas por evaporación. La pérdida de arsénico también niega las técnicas de difusión comúnmente utilizadas para el dopaje de obleas en la tecnología de Si; ya que las temperaturas de difusión requeridas superan las de la pérdida de arsénico.
Estrés cristalino
El gradiente térmico y, por lo tanto, la tensión generada en los cristales cultivados en fusión han limitado el diámetro máximo de las obleas de GaAs (actualmente 6" de diámetro en comparación con más de 12" para Si), ya que con diámetros de oblea aumentados las densidades de dislocación generada por estrés térmico (imperfecciones cristalinas) eventualmente se convierten inaceptable para aplicaciones de dispositivos.
Fuerza física
Los monocristales de arseniuro de galio son muy quebradizos, requiriendo sustratos considerablemente más gruesos que los empleados para dispositivos de Si.
Óxido nativo
Se encontró que el óxido nativo del arseniuro de galio es una mezcla de óxidos de galio y arsénico no estequiométricos y arsénico elemental. Por lo tanto, se encuentra que la estructura electrónica de la banda está severamente alterada causando una ruptura en el comportamiento 'normal' de los semiconductores en la superficie de GaAs. Como consecuencia, el MISFET de GaAs (metal-aislador-semiconductor-campo-effect-transistor) equivalente al MOSFET basado en Si (metal-óxido-semiconductor-efecto-transistor) basado en Si (metal-óxido-semiconductor-campo-efect-transistor) es, por lo tanto, actualmente no disponible.
La pasivación de la superficie de GaAs es, por lo tanto, un tema clave al tratar de utilizar la tecnología FET usando GaAs. La pasivación en esta discusión significa la reducción de los estados de banda de medio espacio que destruyen las propiedades semiconductoras del material. Adicionalmente, esto también significa la producción de un recubrimiento químicamente inerte que evita la formación de estados reactivos adicionales, lo que puede afectar las propiedades del dispositivo.
Bibliografía
- S. K. Ghandhi, VLSI Principios de Fabricación: Silicio y Arseniuro de Galio. Wiley-Interscience, Nueva York, (1994).
- Propiedades del Arsenuro de Galio. Ed. M. R. Brozel y G. E. Stillman. 3ª Ed. Institución de Ingenieros Eléctricos, Londres (1996).