Кристалл GaAs (арсенид галлия) и пластины

Подложки и пластины для выращивания тонких пленок GaN.

Пластины Al₂O₃ (сапфир), Si, GaAs, LiAlO₂, MgAl₂O₄, SiC, ZnO и GaN для выращивания тонких пленок GaN, готовые пластины EPI.

Кристалл GaAs (арсенид галлия) и пластины.

• Структура кристаллической решетки цинковой обманки и подвижность электронов в 5-6 раз выше, чем у кремния.
• Хорошая производительность при высокой частоте, высокой и низкой температуре, низкий уровень шума и высокая устойчивость к излучению
• Шероховатость поверхности: Ra <0,5 нм
• Чистая упаковка: чистая комната класса 1000 и мешки класса 100
• Области применения: эпитаксиальный рост других полупроводников III-V, интегральные схемы СВЧ, монолитные интегральные схемы СВЧ, инфракрасные светоизлучающие диоды, лазерные диоды, солнечные элементы и оптические окна.

Описание:

Арсенид галлия (GaAs) представляет собой соединение элементов галлия и мышьяка. Это прямозонный полупроводник III-V с кристаллической структурой цинковой обманки.

Арсенид галлия используется в производстве таких устройств, как интегральные схемы СВЧ, монолитные интегральные схемы СВЧ, инфракрасные светоизлучающие диоды, лазерные диоды, солнечные элементы и оптические окна. GaAs часто используется в качестве материала подложки для эпитаксиального роста других полупроводников AIIIBV, включая арсенид индия-галлия, арсенид алюминия-галлия и другие. И этот тип подложек имеет хорошие характеристики при высоких частотах, высоких и низких температурах, низкий уровень шума и высокую устойчивость к излучению.

Предлагаем изготовленные на заказ пластины и подложки GaAs, которые подходят для эпитаксиального выращивания, микроволнового излучения, ИК-светодиодов, лазерных диодов и ячеек Sorlar, а также инфракрасных оптических окон. 

Характеристики:

Основные свойства:

Арсенид галлия (GaAs) — это полупроводниковый материал, который играет важнейшую роль в высокоскоростной электронике, оптоэлектронике и современных фотонных устройствах. Одной из причин популярности пластин из арсенида галлия в современных электронных устройствах является атомная структура этого материала, обеспечивающая исключительные электронные и оптические характеристики.

Для инженеров и исследователей важно досконально в этом разобраться.

Какова атомная структура GaAs?

Арсенид галлия состоит из атомов галлия (Ga) и мышьяка (As) в соотношении 1:1. Благодаря чередованию атомов он кристаллизуется в виде кристаллов цинковой обманки (или сфалерита), структура которых напоминает структуру алмазного кремния.

В такой конфигурации:

Каждый атом галлия образует четыре ковалентные связи с четырьмя соседними атомами мышьяка.

Каждый атом мышьяка также образует четыре ковалентные связи, но с атомами галлия.

Уникальное расположение атомов в GaAs обусловливает ряд важнейших свойств полупроводников, таких как:

1. Прямая запрещенная зона

GaAs имеет прямую запрещенную зону шириной примерно 1,42 эВ при комнатной температуре, в отличие от кремния с непрямой запрещенной зоной. Благодаря этому GaAs может эффективно излучать и поглощать свет, что делает его идеальным материалом для:

Лазерные диоды

Светодиоды

Фотодетекторы

Солнечные элементы

2. Высокая подвижность электронов

Благодаря меньшей эффективной массе электронов в арсениде галлия и меньшему количеству фононных взаимодействий в кристаллической решетке, подвижность электронов в арсениде галлия более чем в пять раз выше, чем в кремнии.

По этой причине пластины из арсенида галлия часто используются в интегральных схемах микроволнового диапазона, радиочастотных усилителях и высокоскоростных цифровых логических схемах.

3. Устойчивость к нагреву и излучению

Арсенид галлия более устойчив к нагреву и излучению, чем кремний, во многом благодаря прочным ковалентным связям и стабильной атомной решетке. Поэтому арсенид галлия является предпочтительным материалом для космической и военной электроники, где часто приходится работать в экстремальных условиях.

Применение пластин из арсенида галлия в радиочастотных, микроволновых устройствах и устройствах 5G

В высокочастотной электронике выбор материала определяет производительность. Пластины из арсенида галлия обладают электрическими свойствами, которые делают их идеальными для радиочастотных, микроволновых и новых технологий 5G.

По сравнению с традиционным кремнием, арсенид галлия обладает более высокой подвижностью электронов, что обеспечивает более быструю передачу сигнала и снижает уровень шума. По мере того, как системам связи требуются более широкая полоса пропускания и высокая скорость передачи данных, все большее значение приобретают современные материалы для подложек.

Почему арсенид галлия идеально подходит для высокочастотных устройств

Арсенид галлия поддерживает более высокие частоты и отличается повышенной энергоэффективностью. Инженеры часто выбирают пластины из арсенида галлия для устройств, в которых критически важны целостность сигнала и термостабильность.

Подвижность электронов и скорость передачи сигнала

У арсенида галлия подвижность электронов выше, чем у кремния. Это обеспечивает более высокую скорость переключения в радиочастотных усилителях и микроволновых интегральных схемах.

Низкий уровень шума

В системах беспроводной связи снижение уровня шума повышает четкость сигнала. Пластины из арсенида галлия помогают поддерживать высокую мощность сигнала в плотно заполненных частотных диапазонах.

Применение в радиочастотных и микроволновых системах

В радиочастотных интерфейсных модулях, системах спутниковой связи и радиолокационных системах обычно используются компоненты на основе арсенида галлия.

Усилители мощности

Подложки из арсенида галлия широко используются в радиочастотных усилителях мощности для мобильных устройств и базовых станций.

Микроволновые интегральные схемы

Высокочастотные свойства материалов на основе арсенида галлия позволяют создавать монолитные микроволновые интегральные схемы. По мере распространения инфраструктуры 5G по всему миру спрос на пластины из арсенида галлия продолжает расти.

5G и сети нового поколения

Технология 5G требует эффективного усиления сигнала на более высоких частотах. GaAs обеспечивает такую производительность при сохранении энергоэффективности. Благодаря своим свойствам этот материал подходит для современных беспроводных устройств и инфраструктуры связи.

Устойчив ли GaAs к радиоактивному воздействию?

Несмотря на дефицит, арсенид галлия (GaAs) имеет решающее значение для многих отраслей промышленности. Благодаря его уникальной подвижности электронов многие производители полагаются на эти пластины, часто извлекая из них максимум пользы и повторно используя пластины из восстановленного арсенида галлия несколько раз для оптимизации производства.

Одним из таких уникальных свойств является устойчивость к радиоактивному излучению, что повышает эффективность его применения в различных областях и делает его предпочтительным материалом в таких критически важных отраслях, как солнечная энергетика, аэрокосмическая промышленность и телекоммуникации. В этой статье мы расскажем, почему пластины из арсенида галлия обладают такой устойчивостью к радиоактивному излучению, и обсудим более широкие перспективы их использования.

Как радиоактивность влияет на полупроводниковые материалы

Радиоактивность — это процесс, при котором нестабильные атомные ядра теряют энергию, испуская излучение. Вся материя постоянно подвергается воздействию излучения как из космических, так и из земных источников. Однако высокое излучение может повредить структуру полупроводниковых материалов, вызывая изменения на атомном уровне, которые влияют на структурную целостность и электронные свойства.

Эта энергия может воздействовать на полупроводниковые материалы двумя способами:

Неионизационные процессы (дислокация), связанные с электромагнитными волнами.

Процессы ионизации, вызываемые альфа-, бета- и гамма-излучением.

Ионизирующее излучение — наиболее распространенная причина радиационного повреждения полупроводников. Когда на атомную структуру материала подложки воздействуют сильно заряженные альфа-, бета-, гамма-частицы или нейтроны, это влияет на орбитальные электроны, изменяя электрические характеристики материала. Это может сказаться на работе устройства, в том числе привести к отсутствию переключения, колебаниям значений, снижению напряжения и другим временным и постоянным повреждениям. В конечном итоге это приводит к снижению производительности и надежности.

Понимание устойчивости арсенида галлия к радиоактивному излучению

‍ Хотя интенсивное излучение со временем влияет на все материалы, арсенид галлия — это полупроводниковый материал, кристаллическая структура которого может выдерживать длительное воздействие радиации. Согласно исследованию 2018 года, опубликованному в Journal of Applied Physics, после воздействия высоких доз гамма-излучения эффективность диодов на основе арсенида галлия сохранялась на уровне более 90 % от первоначальной. Для сравнения: эффективность кремниевых устройств падала ниже 70 %. Есть несколько причин, по которым арсенид галлия обладает повышенной устойчивостью к радиоактивному излучению:

Ковалентная связь в арсениде галлия очень прочная, что позволяет создавать надежную структуру, способную противостоять радиационным дефектам.

Галлий (Z=31) и мышьяк (Z=33) имеют низкие атомные номера. При облучении материалы с более низкими атомными номерами испускают меньше вторичных электронов, что снижает вероятность каскадного повреждения материала.

GaAs обладают более высокой радиационной стойкостью, чем кремний, что особенно важно в средах с высоким содержанием радиации, таких как космос.

Сравнение с кремнием

Несмотря на прогресс в области материалов и подложек, кремний остается основой полупроводниковой промышленности — по крайней мере, для большинства коммерческих применений. Благодаря своей доступности он является предпочтительным материалом для большинства электрических устройств и аналогичных приложений, ориентированных на широкую аудиторию.

Однако в условиях, где ожидается воздействие радиации, лучше использовать арсенид галлия, поскольку кремний имеет ограничения при воздействии радиации.

Например, кремниевые устройства могут быть повреждены в результате смещения, которое происходит, когда энергичные частицы выбивают атомы из кристаллической решетки, что приводит к образованию дефектов. Это влияет на электрические свойства кремния и снижает его общую надежность.

Сравнительное исследование, опубликованное в журнале IEEE Transactions on Nuclear Science, показало, что арсенид галлия может выдерживать уровни радиации, которые привели бы к значительному ухудшению характеристик кремниевых устройств. Более того, устройства на основе арсенида галлия значительно превосходят кремниевые аналоги по радиационной стойкости.

Кроме того, солнечные элементы на основе арсенида галлия могут выдерживать радиационное воздействие до 50 крад (Si) в условиях космического пространства, в то время как кремниевые солнечные элементы обычно выдерживают только 10–20 крад (Si) без заметных признаков деградации.

Для устройств на основе арсенида галлия, используемых в космических миссиях, это означает более длительный срок службы.

В космос и за его пределы

В отличие от кремния, арсенид галлия обладает более высокой радиационной стойкостью, что крайне важно в таких условиях, как в космосе, где уровень радиации намного выше. Из-за высокого уровня космического излучения, которому подвергаются спутники и другие космические аппараты, надежные материалы имеют решающее значение для успеха миссий.

В то время как кремниевые устройства обычно выходят из строя при гораздо меньших дозах облучения, исследования показали, что устройства на основе арсенида галлия могут выдерживать дозы до 100 крад (Si) без существенного снижения производительности. Устойчивость арсенида галлия позволяет компонентам дольше работать в космосе, снижая потребность в частой замене и обеспечивая безопасность миссии.

Это может привести к снижению общих затрат на миссию и повысить вероятность реализации долгосрочных космических проектов, например полетов на Марс и за его пределы.

Кроме того, солнечные элементы на основе арсенида галлия обладают более высокой эффективностью. Например, солнечные элементы на основе арсенида галлия могут достигать эффективности более 30 % при стандартных условиях тестирования, в то время как эффективность кремниевых элементов обычно не превышает 22 %. Такая эффективность позволяет вырабатывать больше энергии в космических условиях, где основным источником энергии является солнечный свет.

Понимание суровых условий космического пространства: что такое космическая радиация?

Космическое излучение — это естественный источник фонового излучения, возникающего в космическом пространстве. Оно состоит из проникающего ионизирующего излучения, источником которого являются Солнце и звезды, постоянно посылающие на Землю потоки космического излучения.

Мы не подвергаемся их воздействию из-за разницы в высоте над уровнем моря, атмосферных условий и магнитного поля Земли. Среднестатистический человек получает всего 45–50 миллибэр фонового излучения, вызванного космическими лучами. Однако спутникам и другим аэрокосмическим устройствам повезло меньше, поэтому использование радиационно-стойких материалов крайне важно.

Типы транзисторов на основе арсенида галлия и их применение

Из-за своей более высокой подвижности электронов, чем кремний (Si), арсенид галлия является сложным полупроводниковым материалом, часто используемым в быстродействующих, высокочастотных и оптоэлектронных приложениях. Из-за этого пластина GaAs особенно хорошо подходит для изготовления транзисторов в таких приложениях, как микроволновая связь, радиочастотное усиление и даже оптоэлектронные устройства, такие как светодиоды и лазеры.

Два основных типа транзисторов используют преимущества свойств арсенида галлия: металло-полупроводниковые полевые транзисторы и транзисторы с высокой подвижностью электронов. Давайте рассмотрим их применение и преимущества.

Типы транзисторов на основе арсенида галлия

Существует два основных типа транзисторов на основе арсенида галлия:

MESFET (металл-полупроводниковый полевой транзистор): в этом типе транзисторов используется переход металл-полупроводник, а не типичный переход металл-оксид-полупроводник, как в транзисторах на основе кремния. MESFET на основе арсенида галлия широко используются в микроволновых и высокочастотных устройствах, поскольку работают на более высоких скоростях.

Транзисторы с высокой подвижностью электронов (High Electron Mobility Transistor, HEMT): HEMT — это еще один тип транзисторов, в которых используется высокая подвижность электронов в арсениде галлия. Такие транзисторы обычно имеют гетероструктуру, в которой два разных полупроводниковых материала (например, арсенид галлия и алюмоарсенид галлия) накладываются друг на друга, образуя канал с высокой концентрацией электронов. HEMT широко используются в высокочастотных устройствах, таких как радары и системы связи.