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種類
ウェハーのイメージ図
ヒ化ガリウムは、主に半導体材料として工業用に販売されています。粉末の純粋なヒ化ガリウムとして販売されている製品の他に、GaAsウェハーや、GaAsエピタキシャルウエハなどとして多くの製品が販売されています。
ウェハーとは、非常に薄く小さい板であり、多くは円形です。GaAsエピタキシャルウェハーは、移動体通信やワイヤレスLANの送信用パワーアンプ、RF回路切替スイッチや、光ディスクドライブ (CD、DVD) の書込みや読込み用を行うレーザーダイオードに用いられています。
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解説
ヒ化ガリウム，GaAs(144.65)．ガリウムヒ素ともいう．H2 とAsの混合気体を約600 ℃ でGa2O3上を通すか，真空中でGaとAsとを反応させると得られる．帯溶融法やチョクラルスキー法で精製すると純粋な単結晶が得られる．金属光沢のある白灰色の立方晶系結晶．せん亜鉛鉱型構造．密度5.31 g cm－3．a ＝ 5.653 Å．モース硬さ4.5．融点1238 ℃．空気中，室温では安定で，600 ℃ 以上では酸化される．酸，アルカリ溶液に不溶，王水に可溶．溶融状態では石英やガラスを侵す．化合物半導体(Ⅲ-Ⅴ半導体)で，室温でのバンドギャップ1.38 eV．室温での比抵抗4×108 Ω cm．半導体素材としての各種の用途があり，マイクロ波発振素子，半導体レーザー素子，発光ダイオード，トランジスター，高速作動回路素子，ホール素子，太陽電池などに用いられる．
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構造
ヒ化ガリウムの結晶構造
結晶構造は常温で安定であり、閃亜鉛鉱型 (ジンクブレンド型) 構造、すなわちZnS、HgS、CuClと同じ構造を取ります。
ヒ素化合物であるにも関わらず単独では弱い毒性を示します。しかし、酸や水蒸気と反応すると、有毒なアルシンを生成します。
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歴史
物質としてのヒ化ガリウムは1926年に初めて学術論文に登場した。その後ゲルマニウムにかわるトランジスタ材料として、化合物半導体の研究が1950年代初めに旧西ドイツのジーメンス社によってなされ、その成果に刺激されて結晶化の研究が進められた。大形単結晶がつくられるようになったのは、ヒ化ガリウムの組成と蒸気圧、温度の関係が明らかにされた57年以降である。50年代末にはヒ化ガリウムのもつ電気特性からトンネルダイオードがつくられ、その後、電子の高速性を利用してマイクロ波用にミクサーダイオード、電界効果トランジスタ、インパットダイオードがつくられ、電子管にとってかわってきている。また、シリコンにかわるコンピュータ用超高速素子としてヒ化ガリウムの集積回路が開発されるようになった。
一方、1962年にアメリカRCA社は、ヒ化ガリウムのpn接合部分で正孔と電子が再結合することにより発光することを認めた。この現象はただちに発光ダイオードと半導体レーザーに利用された。前者は赤外発光ダイオード、ついでリンやアルミニウムを加えた可視発光ダイオードとして製品化された。後者については、ヒ化ガリウムとアルミニウムを加えたヒ化ガリウムの共晶間のヘテロ（異種）接合を2個利用して室温で連続発振するものが70年に開発され、現在の光通信や光ディスク用の半導体レーザー材料として用途を広げている。このほか、70年代後半から、ホール素子、圧電素子、人工衛星用の太陽電池材料としても利用されている。
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性質
閃亜鉛鉱型構造の結晶格子 (格子定数 a＝5.653Å ) をもち，融点 1238℃，比重 5.307，禁制帯幅 1.37eV ，電子の移動度 8500cm2/Vs ，正孔の移動度 420cm2/Vs 。半導体としてシリコンやゲルマニウムに比べて電子の移動度が著しく大きいため，直列抵抗と電子走行時間の小さいことが要求される高周波用トランジスタやダイオードの材料に適しており，禁制帯幅がシリコン，ゲルマニウムより大きいため，はるかに高温度まで半導体として使用できる。また，直接遷移型のエネルギー帯構造をもつため，電子と正孔の再結合による発光の効率が高く，発光ダイオードや半導体レーザーの材料に適し，伝導帯に約 0.36eV 離れた2つの谷 (エネルギーの極小点) があり，エネルギーの低い谷に比べてエネルギーの高い谷での電子移動度が非常に小さいため，2つの伝導帯谷間の電子遷移によって負性抵抗，いわゆるガン効果が生じる。これらの GaAs の特長を利用したショットキー・バリア・ダイオード，可変容量ダイオード，発光ダイオード，半導体レーザー，ガン効果ダイオードが次々と実用化されている。
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化学的特性
Gallium arsenide contains 48.2% gallium and 51.8% arsenic and is considered an intermetallic compound. It occurs as cubic crystals with a dark gray metallic sheen. Gallium arsenide is electroluminescent in infrared light. Gallium arsenide readily reacts with oxygen in air, forming a mixture of oxides of gallium and arsenic on the crystal surface. Gallium arsenide presents the following properties: hardness, 4.5; thermal expansion coefficient, 5.9×106; thermal conductivity, 0.52Wunits; specific heat, 0.086 cal/g/ ℃; intrinsic electron concentration, 107; energy gap at room temperature, 1.38 eV; electron mobility, 8800 cm2/V/s; effective mass for electrons, 0.06m0; lattice constant,5.6–54 AO; dielectric constant, 11.1; intrinsic resistivity at 300K＝3.7×108Ωcm; electron lattice mobility at 300K＝ 10,000 cm2/V/s; intrinsic charge density at 300K＝1.4 106 cm-3; electron diffusion constant at 300K＝310 cm2/s; and hole diffusion constant＝11.5 cm2/s.
Garlic odor when moistened. Finely divided gallium arsenide can react vigorously with steam, energetic acids, and oxidizers to evolve arsine gas, and can release arsenic fumes when heated to decomposition. The molten form attacks quartz.
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物理的性質
Gray cubic crystal; density 5.316 g/cm3; melts at 1,227°C; hardness 4.5 Mohs; lattice constant 5.653?; dielectric constant 11.1; resistivity (intrinsic) at 27°C, 3.7x108 ohm-cm.
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使用
In semiconductor applications (transistors, solar cells, lasers).Gallium arsenide is among the most widely used intermetallic semiconductor components (Harrison, 1986; McIntyr and Sherin, 1989). Gallium arsenide is also incorporated into light-emitting diodes and photovoltaic cells, while gallium alloys are used for dental amalgam as a low toxicity replacement for mercury.
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製造方法
Gallium arsenide is prepared by passing a mixture of arsenic vapor and hydrogen over gallium(III) oxide heated at 600°C: Ga2O3 + 2As + 3H2 2GaAs + 3H2OThe molten material attacks quartz. Therefore, quartz boats coated with carbon by pyrolytic decomposition of methane should be used in refining the compound to obtain high purity material. Gallium arsenide is produced in polycrystalline form as high purity, single crystals for electronic applications. It is produced as ingots or alloys, combined with indium arsenide or gallium phosphide, for semiconductor applications.
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一般的な説明
Dark gray crystals with a metallic greenish-blue sheen or gray powder. Melting point 85.6°F (29.78°C).
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空気と水の反応
Stable in dry air. Tarnishes in moist air. Insoluble in water.
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反応プロフィール
GALLIUM ARSENIDE can react with steam, acids and acid fumes. Reacts with bases with evolution of hydrogen. Attacked by cold concentrated hydrochloric acid. Readily attacked by the halogens. The molten form attacks quartz.
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危険性
Toxic metal. Questionable carcinogen
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火災危険
Flash point data for GALLIUM ARSENIDE are not available; however, GALLIUM ARSENIDE is probably combustible.
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使用用途
ヒ化ガリウムの主要な使用用途は、太陽電池、高速通信用などの半導体材料です。同じ半導体材料であるシリコンと比較すると電子移動度が高いことが特徴です。
1.43eV のバンドギャップを持つIII-V族半導体に分類されます。電子移動度は 8,500cm2/(V s)、ホール移動度は 400cm2/(V s) です。不純物を添加されていない (ドーピングされていない) 基板において高い抵抗値を示す半導体は、半絶縁性基板と呼ばれます。
ヒ化ガリウムは半絶縁性基板であり電子移動度が高いことから、リーク電流や寄生容量を低く抑えることが可能であることが利点です。シリコンに比べ高価で加工が難しいデメリットがありますが、高速動作機能を持ち、また消費電力も約3分の1と少ないため小型化は容易です。
応答が速く消費電力も少ない半導体素子の1つです。これらの利点を活かし、HEMTやHBTなどのの高速通信用の半導体素子の材料として多く用いられています。 また、直接遷移形の材料であるため赤色・赤外光の発光ダイオードに広く用いられています。
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安全性情報
ヒ化ガリウムはIARC発がん性リスク一覧でGroup1に分類されており、発ガン性が指摘されている物質です。それ以外には、下記のようなリスクが指摘されています。
- 生殖能又は胎児への悪影響のおそれ
- 血液系、免疫系の障害
- 反復ばく露による呼吸器、血液系、生殖器 (男性) の障害
毒物及び劇物取締法では、 毒物・除外品目に指定されており、労働基準法では疾病化学物質、がん原性化学物質に指定されています。労働安全衛生法でも名称等を表示・通知すべき危険物及び有害物質とされている他、PRTR法で第1種指定化学物質に指定されるなど、多くの法令によって規制を受ける有害な物質です。法令を遵守した正しい取り扱いが求められます。
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安全性プロファイル
Confirmed carcinogen.
Mddly toxic by intraperitoneal route. Most
arsenic compounds are poisons. Can react
with steam, acids, and acid fumes to evolve
the deadly poisonous arsine. Molten gallium
arsenide attacks quartz. When heated to
decomposition it emits very toxic fumes of
As. See also ARSENIC COMPOUNDS and
GALLIUM COMPOUNDS.
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発がん性
Carcinogenesis.
Gallium is antineoplastic in several
human and murine cancer cell lines and in some in vivo
cancers. It has been used experimentally in patients in the
treatment of lymphatic malignancies (including multiple
myelomas) and for urothelial malignancies. However,
the dissociation of gallium arsenide into gallium and arsenic
is a factor to take into account. A considerable number of
studies have evaluated the carcinogenic potential of arsenic
and various arsenic compounds.
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Structure and conformation
The space lattice of gallium arsenide (GaAs) belongs to the cubic system Td2, and its zincblende-type structure has a lattice constant of a=0.5654 nm and a distance to its nearest
neighbor of 0.244 nm.
