Арсенид галлия GaAs

Арсенид галлия (GaAs) — бинарное химическое соединение галлия и мышьяка, полупроводник группы A^IIIB^V со структурой цинковой обманки (сфалерита). По масштабам промышленного использования GaAs занимает третье место среди полупроводниковых материалов после кремния и германия. Материал представляет собой тёмно-серые кристаллы с металлическим блеском и фиолетовым оттенком. Молекулярная масса — 144,63 г/моль.

Арсенид галлия относится к прямозонным полупроводникам. Эта особенность зонной структуры принципиально отличает его от кремния (непрямозонного полупроводника) и определяет способность GaAs эффективно излучать и поглощать свет. Именно поэтому арсенид галлия стал основой оптоэлектроники — светодиодов, лазерных диодов, фотоприёмников.

Кристаллическая структура арсенида галлия

GaAs кристаллизуется в кубической решётке типа сфалерита (цинковой обманки), которая состоит из двух гранецентрированных кубических (ГЦК) подрешёток — галлиевой и мышьяковой, сдвинутых друг относительно друга на четверть объёмной диагонали куба. Каждый атом галлия окружён четырьмя атомами мышьяка, и наоборот — координация тетраэдрическая. Точечная группа симметрии — 4̄3m (T_d).

Постоянная решётки при 300 K составляет 0,565325 нм (5,65325 Å). Расстояние между ближайшими соседними атомами — 2,45 Å. Концентрация атомов в кристалле — 4,42 × 10²² см⁻³.

Отсутствие центра инверсии в структуре сфалерита обусловливает пьезоэлектрические свойства GaAs и возможность проявления линейного электрооптического эффекта (эффект Поккельса) — изменения показателя преломления под действием внешнего электрического поля.

Физические свойства GaAs

Физические параметры арсенида галлия при температуре 300 K, подтверждённые данными ФТИ им. Иоффе и справочной литературой, приведены в таблице ниже.

Параметр	Значение
Молекулярная масса	144,63 г/моль
Плотность (твёрдое состояние, 300 K)	5,32 г/см³
Плотность (расплав, 1238 °C)	5,71 г/см³
Температура плавления	1238 °C
Температура диссоциации в вакууме	~850 °C
Постоянная решётки (300 K)	0,565325 нм
Кристаллическая структура	Сфалерит (цинковая обманка)
Твёрдость по шкале Мооса	4,5
Модуль Юнга	~85,5 ГПа
Коэффициент Пуассона	0,31
Теплоёмкость (удельная)	0,35 Дж/(г·К)
Теплоёмкость (молярная)	46,9 Дж/(моль·К)
Теплопроводность (300 K)	46 Вт/(м·К)
Коэффициент линейного теплового расширения	5,73 × 10−6 К−1

По механическим свойствам арсенид галлия — хрупкий материал, существенно уступающий кремнию по прочности. Это ограничивает максимальный диаметр подложек: если кремниевые пластины выпускаются диаметром до 300 мм (12 дюймов) и более, то для GaAs промышленный стандарт — до 150 мм (6 дюймов). Теплопроводность арсенида галлия примерно втрое ниже, чем у кремния (46 против ~150 Вт/(м·К)), что создаёт дополнительные требования к теплоотводу в мощных устройствах.

Электрические и электронные свойства арсенида галлия

Электронные свойства GaAs — основная причина, по которой этот материал незаменим в высокочастотной электронике и оптоэлектронике. Ниже приведены ключевые электрофизические параметры при 300 K.

Параметр	GaAs	Si (для сравнения)
Ширина запрещённой зоны, эВ	1,424 (прямая)	1,12 (непрямая)
Подвижность электронов, см²/(В·с)	8500	1500
Подвижность дырок, см²/(В·с)	400	475
Напряжённость поля пробоя, В/см	~4 × 105	~3 × 105
Диэлектрическая постоянная	13,1	11,9
Собственная концентрация носителей, см−3	1,79 × 106	1,45 × 1010
Удельное сопротивление (собственное)	~108 Ом·см	2,3 × 105 Ом·см
Сродство к электрону, В	4,07	4,05
Эффективная масса электронов	0,063 m0	—
Эффективная масса дырок	0,5 m0	—

Прямозонная структура и оптоэлектроника

Прямая запрещённая зона GaAs означает, что минимум зоны проводимости и максимум валентной зоны расположены в одной точке (Γ-точке) зоны Бриллюэна. При рекомбинации электрона и дырки энергия выделяется непосредственно в виде фотона без участия фононов. Это делает арсенид галлия пригодным для изготовления светоизлучающих устройств — светодиодов и лазерных диодов с длиной волны излучения в ближнем ИК-диапазоне (~870 нм для нелегированного GaAs).

У кремния запрещённая зона непрямая, поэтому межзонная рекомбинация неэффективна — это делает кремний практически непригодным для создания светоизлучающих приборов.

Высокая подвижность электронов

Подвижность электронов в нелегированном GaAs при комнатной температуре составляет около 8500 см²/(В·с) — это почти в 6 раз больше, чем в кремнии. Высокая подвижность обеспечивает меньшее время пролёта электронов через активную область прибора, что позволяет транзисторам на GaAs работать на частотах свыше 250 ГГц.

Также следует отметить эффект отрицательной дифференциальной подвижности (эффект Ганна), возникающий в GaAs при высоких электрических полях. При определённой напряжённости поля электроны из Γ-долины с малой эффективной массой переходят в L-долину с большой эффективной массой. Это приводит к снижению средней дрейфовой скорости и возникновению колебаний тока — основе работы генераторов Ганна.

Полуизолирующие свойства

В нелегированном состоянии арсенид галлия обладает очень высоким удельным сопротивлением — 10⁷–10⁹ Ом·см. Такой материал называют полуизолирующим. Собственная концентрация носителей заряда в GaAs на четыре порядка ниже, чем в кремнии (1,79 × 10⁶ против 1,45 × 10¹⁰ см⁻³). Это позволяет использовать полуизолирующие подложки GaAs как изолирующую основу для размещения активных элементов интегральных схем — возможность, недоступная для кремниевых подложек без дополнительного диэлектрического слоя.

Оптические свойства GaAs

Нелегированный полуизолирующий арсенид галлия прозрачен в среднем инфракрасном диапазоне — от 1 до 15 мкм, а также в терагерцовом диапазоне (длины волн 100–3000 мкм). Показатель преломления GaAs в ИК-области составляет около 3,3.

Благодаря этим свойствам GaAs применяется для изготовления оптических элементов — линз, окон, светоделителей — в системах на основе CO₂-лазеров (длина волны 9,6–10,6 мкм). В этом применении арсенид галлия является альтернативой селениду цинка (ZnSe).

Нелинейные оптические свойства кристаллов GaAs (электрооптический эффект Поккельса) позволяют использовать их в терагерцовой фотонике — для генерации и детектирования ТГц-излучения.

Химические свойства арсенида галлия

Арсенид галлия — химически достаточно стабильное соединение в обычных условиях:

• Не растворяется в воде.
• Устойчив к кислороду и парам воды в атмосфере при температурах до ~600 °C.
• При взаимодействии с серной (H₂SO₄) и соляной (HCl) кислотами разлагается с выделением токсичного газа — арсина (AsH₃).
• В азотной кислоте (HNO₃) пассивируется.
• Разлагается в растворах щелочей.
• В вакууме диссоциирует при температуре около 850 °C с выделением паров мышьяка.
• Давление паров мышьяка над расплавом GaAs в точке плавления составляет ~1 атм (около 100 кПа), что существенно усложняет технологию выращивания кристаллов.

Влажное химическое травление GaAs в промышленности выполняется с использованием окислителей — перекиси водорода (H₂O₂) или бромной воды в сочетании с кислотами.

Методы получения и выращивания кристаллов GaAs

Синтез арсенида галлия осуществляется сплавлением элементарного галлия с мышьяком при контролируемом давлении паров As. Высокое давление паров мышьяка в точке плавления (~100 кПа) — ключевая технологическая сложность: при недостатке мышьяка образуется нестехиометрический материал с дефектами кристаллической решётки.

Метод Чохральского с жидкостной инкапсуляцией (LEC)

Наиболее распространённый промышленный метод получения монокристаллов GaAs. Расплав арсенида галлия покрывается слоем жидкого оксида бора (B₂O₃), который предотвращает испарение мышьяка. Кристалл вытягивается из расплава на вращающейся затравке под давлением инертного газа (аргон, ~150 кПа). Метод LEC позволяет получать полуизолирующие монокристаллы GaAs диаметром до 150 мм.

Метод вертикальной направленной кристаллизации (VGF)

В методе VGF расплав GaAs кристаллизуется снизу вверх за счёт постепенного смещения температурного градиента. Этот метод обеспечивает более низкую плотность дислокаций по сравнению с LEC, что критически важно для производства подложек под светодиоды и лазеры. Кристаллы, выращенные методом VGF, характеризуются плотностью дислокаций порядка 10³–10⁴ см⁻².

Метод Бриджмена (горизонтальная направленная кристаллизация)

Классический метод, при котором расплав кристаллизуется в горизонтальной лодочке при постепенном перемещении зоны нагрева. Использовался на ранних этапах развития технологии GaAs. Позволяет получать кристаллы хорошего качества, но ограничен по диаметру.

Зонная плавка

Применяется для дополнительной очистки и получения монокристаллов GaAs. Узкая расплавленная зона перемещается вдоль слитка, вытесняя примеси к его краям. Метод позволяет достичь высокой чистоты материала, но сложен в реализации из-за высокого давления паров мышьяка.

Эпитаксиальные методы

Для создания тонких плёнок и многослойных гетероструктур на основе GaAs применяются эпитаксиальные технологии:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ, MBE) — осаждение атомных или молекулярных пучков галлия и мышьяка в сверхвысоком вакууме. Обеспечивает контроль толщины слоёв с точностью до одного атомного монослоя.
• МОС-гидридная эпитаксия (MOCVD, MOVPE) — химическое осаждение из газовой фазы с использованием металлоорганических соединений (триметилгаллий Ga(CH₃)₃) и арсина (AsH₃). Основной промышленный метод для массового производства светодиодных и лазерных структур.
• Жидкофазная эпитаксия (ЖФЭ, LPE) — выращивание слоёв из раствора компонентов в расплавленном галлии. Исторически первый эпитаксиальный метод, обеспечивающий высокое кристаллическое качество слоёв.
• Газофазная эпитаксия (VPE) с использованием хлоридного транспорта — реакция галлия с хлоридом мышьяка при высокой температуре.

Легирование арсенида галлия

Электрофизические свойства GaAs определяются типом и концентрацией легирующих примесей. Легирование изменяет тип проводимости (n- или p-тип) и удельное сопротивление материала.

Легирующие примеси n-типа

Основные доноры для GaAs: кремний (Si), теллур (Te), олово (Sn), селен (Se), сера (S). Кремний — наиболее широко используемый донор. Он занимает позиции атомов галлия в решётке и создаёт мелкие донорные уровни. Концентрация носителей в сильнолегированном GaAs(Si) достигает 10¹⁷–10¹⁸ см⁻³.

Кремний в GaAs является амфотерной примесью: при низких температурах роста он может встраиваться в позиции мышьяка, создавая акцепторные уровни. При высоких температурах преобладает донорное поведение.

Легирующие примеси p-типа

Основные акцепторы: цинк (Zn), кадмий (Cd), углерод (C), бериллий (Be). Углерод — предпочтительный акцептор для МОС-эпитаксии благодаря низкому коэффициенту диффузии, что обеспечивает стабильность профилей легирования.

Получение полуизолирующего GaAs

Полуизолирующий материал (удельное сопротивление 10⁷–10⁹ Ом·см) получают двумя способами:

• Легирование хромом (Cr) — хром создаёт глубокий акцепторный уровень вблизи середины запрещённой зоны, компенсируя остаточную донорную проводимость.
• Нелегированный GaAs — при выращивании в условиях избытка мышьяка в кристалле формируется собственный дефект EL2 (антиструктурный дефект — атом мышьяка в позиции галлия), который действует как глубокий донор и компенсирует остаточные акцепторы. Этот способ является предпочтительным для современной микроэлектроники.

Дефекты кристаллической решётки GaAs

Качество монокристаллов GaAs определяется прежде всего плотностью дислокаций (N_D) — линейных дефектов кристаллической решётки. Дислокации в активных областях полупроводниковых приборов вызывают деградацию характеристик, особенно в светоизлучающих структурах (светодиодах и лазерах).

Требования к плотности дислокаций различаются в зависимости от применения:

• Для СВЧ-приборов и интегральных схем — допустима N_D до 10⁴–10⁵ см⁻².
• Для светодиодов — N_D не более (5–10) × 10³ см⁻².
• Для лазерных диодов — N_D не более 5 × 10² см⁻².

Помимо дислокаций, в GaAs присутствуют точечные дефекты — вакансии галлия и мышьяка, антиструктурные дефекты (As_Ga, Ga_As). Дефект EL2 (As_Ga или его комплекс) играет ключевую роль в формировании полуизолирующих свойств нелегированного GaAs.

Гетероструктуры на основе арсенида галлия

Уникальная особенность арсенида галлия — возможность создания многослойных гетероструктур с другими полупроводниками группы A^IIIB^V. Наибольшее практическое значение имеют следующие системы:

Система AlGaAs/GaAs

Арсенид алюминия-галлия (Al_xGa_1−xAs) имеет постоянную решётки, практически совпадающую с GaAs при любом составе x. Это позволяет выращивать слои AlGaAs на подложках GaAs без механических напряжений (решёточно-согласованные структуры). Ширина запрещённой зоны плавно изменяется от 1,424 эВ (GaAs) до ~2,16 эВ (AlAs). Система AlGaAs/GaAs — основа полупроводниковых лазеров ближнего ИК-диапазона, светодиодов красного свечения и высокоподвижных транзисторов (HEMT).

Система InGaAs/GaAs

Арсенид галлия-индия (In_xGa_1−xAs) — тройной твёрдый раствор с шириной запрещённой зоны, регулируемой от 1,424 эВ (GaAs) до 0,354 эВ (InAs). Структуры InGaAs/GaAs используются в фотоприёмниках, лазерах телекоммуникационного диапазона и высокочастотных транзисторах.

Область применения арсенида галлия

Уникальное сочетание свойств GaAs определяет его применение в нескольких ключевых областях электроники и оптоэлектроники.

СВЧ-электроника и телекоммуникации

Высокая подвижность электронов и насыщенная дрейфовая скорость делают GaAs основным материалом для:

• Монолитных СВЧ интегральных схем (MMIC) — усилители мощности, малошумящие усилители, смесители, работающие на частотах до 100 ГГц и выше.
• Полевых транзисторов с затвором Шоттки (MESFET) и транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT, pHEMT).
• Усилителей мощности для мобильных телефонов — подавляющее большинство смартфонов содержит GaAs-чипы в радиочастотном тракте.
• Аппаратуры спутниковой связи, радарных систем, микроволновых линий «точка–точка».

Оптоэлектроника

Прямозонная структура GaAs обеспечивает его использование в:

• Светодиодах (LED) ближнего ИК-диапазона (850–940 нм) — оптические датчики, пульты дистанционного управления, промышленная автоматика.
• Лазерных диодах — полупроводниковые лазеры с длиной волны 780–870 нм (системы оптической записи, лидары, медицинское оборудование, оптическая накачка твердотельных лазеров).
• Фотоприёмниках и фотодиодах.
• Фотокатодах с отрицательным электронным сродством.

Солнечная энергетика

GaAs и многопереходные структуры на его основе (GaInP/GaAs/Ge) обеспечивают рекордную эффективность преобразования солнечной энергии — свыше 30 % для однопереходных и свыше 45 % для многопереходных концентраторных элементов. Высокая радиационная стойкость арсенидогаллиевых солнечных батарей определяет их применение в космических аппаратах, где кремниевые элементы деградируют под воздействием заряженных частиц.

Инфракрасная оптика

Полуизолирующий нелегированный GaAs прозрачен в диапазоне 1–15 мкм и используется для изготовления линз, окон и светоделителей в системах с CO₂-лазерами. Также применяется в окнах лазерных дальномеров на длинах волн 1,064 и 1,55 мкм.

Детекторы ядерных излучений

Полуизолирующий арсенид галлия применяется в детекторах рентгеновского и гамма-излучения. Более высокий атомный номер компонентов (Ga — 31, As — 33) по сравнению с кремнием (14) обеспечивает лучшую эффективность поглощения жёсткого излучения.

Генераторы Ганна

Диоды Ганна на основе GaAs используют эффект отрицательной дифференциальной подвижности электронов для генерации СВЧ-колебаний. Применяются в радарных системах, измерительной технике, охранных датчиках движения.

Сравнение GaAs с другими полупроводниковыми материалами

Выбор полупроводникового материала для конкретного применения определяется совокупностью его свойств. Ниже приведено сравнение GaAs с основными конкурирующими материалами.

GaAs и кремний (Si)

Кремний превосходит GaAs по стоимости подложек (примерно в 5 раз дешевле), доступному диаметру пластин, теплопроводности и механической прочности. Кроме того, на поверхности кремния формируется стабильный собственный оксид (SiO₂), что является основой всей кремниевой КМОП-технологии. Нативный оксид GaAs, напротив, представляет собой нестехиометрическую смесь оксидов галлия и мышьяка с элементарным мышьяком, что нарушает электронную структуру поверхности и делает невозможным создание МОП-транзисторов по классической схеме.

Однако GaAs незаменим там, где требуются высокие рабочие частоты (>10 ГГц), низкий уровень шума, высокая радиационная стойкость или эффективное излучение/поглощение света.

GaAs и нитрид галлия (GaN)

Нитрид галлия обладает более широкой запрещённой зоной (3,4 эВ), более высоким полем пробоя и лучшей теплопроводностью, что делает его предпочтительным для силовой электроники и мощных СВЧ-усилителей. Однако GaAs сохраняет позиции в малошумящих усилителях, приёмных трактах, оптоэлектронике ближнего ИК-диапазона и в массовом производстве усилителей мощности для мобильной связи.

GaAs и карбид кремния (SiC)

SiC конкурирует с GaN в области силовой электроники, но не с GaAs — области применения различаются. SiC используется преимущественно в высоковольтных и высокотемпературных приложениях (силовые преобразователи, электротранспорт), тогда как GaAs — в высокочастотных и оптоэлектронных устройствах.

GaAs и фосфид индия (InP)

Фосфид индия обладает ещё более высокой подвижностью электронов и позволяет создавать приборы для частот свыше 300 ГГц. Однако InP значительно дороже GaAs, подложки имеют меньший диаметр, а механическая хрупкость выше. GaAs остаётся предпочтительным выбором для массовых применений в диапазоне до 100 ГГц.

Формы поставки арсенида галлия

Арсенид галлия поставляется в нескольких формах в зависимости от назначения:

• Монокристаллические слитки (були) — цилиндрические заготовки диаметром от 50 до 150 мм, выращенные методами LEC или VGF. Используются для последующей резки на подложки.
• Подложки (пластины, wafers) — основная товарная форма. Круглые пластины диаметром 50,8 мм (2 дюйма), 76,2 мм (3 дюйма), 100 мм (4 дюйма) или 150 мм (6 дюймов). Толщина — 300–625 мкм. Поставляются с односторонней (ОСП) или двусторонней (ДСП) полировкой, с ориентацией (100) или (111).
• Эпитаксиальные структуры (эпи-пластины) — подложки GaAs с нанесёнными эпитаксиальными слоями (AlGaAs, InGaAs и др.) для конкретных приборных применений.
• Поликристаллический GaAs — исходное сырьё для выращивания монокристаллов.
• Прямоугольные подложки — для специальных применений, нестандартных размеров по запросу.

Маркировка подложек GaAs

В обозначении марки указывают: материал (АГ — арсенид галлия), метод выращивания (Ч — Чохральского, Н — направленная кристаллизация), тип легирующей примеси (К — кремний, Т — теллур, Ц — цинк, О — олово) и концентрацию носителей. Нелегированный полуизолирующий GaAs обозначается как s-i (semi-insulating).

Ключевые характеристики подложек, указываемые при заказе: диаметр, толщина, ориентация кристаллографической плоскости, тип проводимости, концентрация носителей (или удельное сопротивление), плотность дислокаций, тип полировки, наличие и расположение базовых срезов (в соответствии со стандартами SEMI).

Техника безопасности при работе с арсенидом галлия

Арсенид галлия в твёрдом монокристаллическом виде при комнатной температуре химически устойчив и не представляет непосредственной опасности при обычном обращении. Однако при работе с GaAs необходимо учитывать следующее:

• Продукты гидролиза GaAs токсичны. При контакте с кислотами (HCl, H₂SO₄) выделяется арсин (AsH₃) — чрезвычайно ядовитый газ (ПДК в воздухе рабочей зоны для мышьяковистого водорода — 0,1 мг/м³, 1-й класс опасности по ГОСТ 12.1.007-76).
• Пыль, образующаяся при механической обработке GaAs (резка, шлифовка, полировка), содержит мышьяк и представляет ингаляционную опасность. Необходимы вытяжная вентиляция и средства индивидуальной защиты органов дыхания.
• Международное агентство по изучению рака (IARC) классифицирует арсенид галлия как возможный канцероген для человека (группа 1 — для неорганических соединений мышьяка).
• При высокотемпературных процессах (выращивание кристаллов, эпитаксия) выделяются пары мышьяка, требующие герметизации оборудования и контроля атмосферы.

Работы с арсенидом галлия должны проводиться в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и действующими санитарными нормами (СанПиН 1.2.3685-21). Персонал, работающий с GaAs и его соединениями, должен проходить периодические медицинские осмотры с контролем состояния печени, почек, органов дыхания и кожных покровов.

Перспективы развития технологий на основе GaAs

Несмотря на конкуренцию со стороны GaN и SiC в отдельных сегментах, арсенид галлия сохраняет устойчивые позиции в ряде направлений:

• Сети 5G и 6G — усилители мощности на GaAs остаются основой радиочастотных модулей мобильных устройств.
• Фотовольтаика — многопереходные солнечные элементы на основе GaAs демонстрируют наивысший КПД среди всех фотоэлектрических преобразователей и незаменимы в космических приложениях.
• Лазеры и оптоэлектроника — лазеры на GaAs-гетероструктурах (VCSEL) широко применяются в системах 3D-распознавания лиц, лидарах, межсоединениях дата-центров.
• Терагерцовая техника — нелинейные свойства GaAs используются для генерации и детектирования ТГц-излучения.

Зонная структура арсенида галлия — подробный анализ

Понимание зонной структуры GaAs необходимо для инженеров, работающих с приборами на его основе. Зонная диаграмма определяет все ключевые свойства материала — от электропроводности до способности излучать свет.

Зона проводимости

Зона проводимости GaAs имеет три значимых минимума в различных точках зоны Бриллюэна:

Долина	Энергия минимума при 300 K, эВ	Эффективная масса электрона
Γ (центральная)	1,424	0,063 m0
L	1,71	~0,55 m0
X	1,90	~0,85 m0

При комнатной температуре электроны занимают преимущественно Γ-долину с малой эффективной массой, что обеспечивает высокую подвижность. Однако при увеличении напряжённости электрического поля до ~3,5 кВ/см электроны приобретают энергию, достаточную для перехода в L-долину с большой эффективной массой. Этот междолинный перенос — физическая основа эффекта Ганна и причина отрицательной дифференциальной подвижности.

Энергетический зазор между Γ- и L-долинами составляет всего ~0,29 эВ, что делает GaAs «почти непрямозонным» полупроводником при высоких энергиях электронов. Этот факт критически важен для понимания нелинейных транспортных явлений в приборах.

Температурная зависимость запрещённой зоны

Ширина запрещённой зоны GaAs уменьшается с ростом температуры. Зависимость описывается формулой Варшни:

E_g(T) = E_g(0) − α·T² / (T + β)

где E_g(0) = 1,519 эВ (при 0 K), α = 0,5405 мэВ/К, β = 204 К. При 300 K это даёт E_g ≈ 1,424 эВ. При повышении температуры до 500 K запрещённая зона сужается до ~1,33 эВ, что влияет на длину волны излучения лазерных диодов и должно учитываться при проектировании приборов.

Спин-орбитальное расщепление

Энергия спин-орбитального расщепления валентной зоны GaAs составляет Δ_so = 0,34 эВ. Валентная зона расщепляется на подзоны тяжёлых дырок, лёгких дырок и отщеплённую (спин-орбитальную) подзону. Эффективная масса тяжёлых дырок — 0,5 m₀, лёгких — 0,076 m₀.

Транспортные свойства носителей заряда в GaAs

Подвижность электронов и её зависимости

Подвижность электронов в нелегированном GaAs при 300 K составляет ~8500 см²/(В·с). Этот параметр сильно зависит от температуры и концентрации примесей:

• При понижении температуры до 77 K (жидкий азот) подвижность электронов в высокочистом GaAs возрастает до ~200 000 см²/(В·с) и выше за счёт уменьшения рассеяния на фононах.
• При увеличении концентрации легирующих примесей подвижность снижается из-за рассеяния на ионизированных примесях. При концентрации доноров ~10¹⁸ см⁻³ подвижность падает до ~2000–3000 см²/(В·с).

Подвижность дырок существенно ниже — ~400 см²/(В·с) при 300 K, что объясняется большей эффективной массой дырок.

Дрейфовая скорость в сильных электрических полях

В слабых полях (до ~3 кВ/см) дрейфовая скорость электронов линейно растёт с полем. Пиковая скорость достигает ~2 × 10⁷ см/с при полях ~3,5 кВ/см. При дальнейшем увеличении поля скорость снижается (отрицательная дифференциальная подвижность) из-за междолинного переноса электронов из Γ- в L-долину. В стационарном режиме скорость насыщается на уровне ~10⁷ см/с.

Для сравнения: в кремнии дрейфовая скорость электронов монотонно растёт до насыщения ~10⁷ см/с без пика и отрицательной дифференциальной подвижности.

Явление пролётного выброса скорости (velocity overshoot)

При резком приложении электрического поля (например, при входе электрона в активную область транзистора) дрейфовая скорость кратковременно превышает стационарное значение — это нестационарный эффект пролётного выброса. В GaAs он выражен сильнее, чем в кремнии, и определяет предельное быстродействие транзисторов с субмикронными длинами затвора.

Термические свойства GaAs для проектирования приборов

Тепловые характеристики арсенида галлия — один из его недостатков по сравнению с кремнием. Понимание этих параметров критически важно для инженеров, проектирующих мощные устройства.

Теплопроводность

Теплопроводность GaAs при 300 K составляет ~46 Вт/(м·К), что примерно в 3,3 раза ниже, чем у кремния (~150 Вт/(м·К)) и в 7 раз ниже, чем у карбида кремния (~350 Вт/(м·К)). Теплопроводность падает с ростом температуры приблизительно как T^−1,25.

Низкая теплопроводность означает, что при равной рассеиваемой мощности тепловое сопротивление GaAs-прибора будет выше, а температура перехода — выше, чем у аналогичного кремниевого устройства. Это ограничивает плотность размещения элементов в интегральных схемах на GaAs и требует тщательного проектирования теплоотвода в мощных усилителях.

Коэффициент теплового расширения

Температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) GaAs при 300 K составляет ~5,73 × 10⁻⁶ К⁻¹. Эту величину необходимо учитывать при монтаже кристаллов на теплоотводящие основания: несогласованность ТКЛР кристалла и подложки приводит к механическим напряжениям и деградации при термоциклировании.

Материал	ТКЛР, × 10−6 К−1
GaAs	5,73
Si	2,6
Медь	16,5
CuW (10/90)	6,5
AlN (керамика)	4,5

Наилучшее согласование ТКЛР обеспечивают медновольфрамовые (CuW) и керамические (AlN) теплоотводы.

Технология обработки подложек GaAs

Изготовление подложек GaAs из монокристаллических слитков включает несколько последовательных операций, каждая из которых влияет на конечное качество пластин.

Резка слитков на пластины

Монокристаллические слитки GaAs разрезают на пластины с помощью алмазных пил (внутренняя резка, наружная резка) или проволочных пил. Из-за хрупкости GaAs требуется особая осторожность — скорость подачи и натяжение проволоки подбираются для минимизации сколов и микротрещин. Типичная толщина нарезанных пластин — 400–700 мкм с последующим утонением.

Шлифовка и полировка

После резки пластины проходят механическую шлифовку (lapping) для выравнивания плоскостности и снятия нарушенного слоя. Затем выполняется химико-механическая полировка (CMP) с использованием щелочных суспензий. Конечная шероховатость поверхности подложек, пригодных для эпитаксии (epi-ready), составляет Ra < 0,5 нм.

Очистка

Финальная очистка подложек выполняется в условиях чистого помещения (класс 100 или выше по ISO 14644-1). Используются последовательные промывки в органических растворителях, кислотных и щелочных растворах, деионизованной воде. Подложки упаковываются в специальные кассеты по 25 штук в вакуумных пакетах.

Базовые срезы (флэты и нотчи)

На пластинах GaAs формируют базовые срезы (flat — OF, IF) или V-образные метки (notch) для определения кристаллографической ориентации и типа проводимости. Расположение срезов регламентировано стандартами SEMI (EJ, US и др.). Правильная идентификация граней (111)A и (111)B принципиально важна, так как скорости эпитаксиального роста и травления различаются для A- и B-граней кристалла.

Параметры качества подложек GaAs

При закупке подложек арсенида галлия инженеры и снабженцы ориентируются на комплекс параметров, определяющих пригодность пластин для конкретных технологических процессов.

Параметр	Описание	Типичные значения
Диаметр	Номинальный диаметр пластины	2″, 3″, 4″, 6″
Толщина	Номинальная толщина	350–625 мкм
TTV	Разброс толщины по пластине	< 10–15 мкм
Bow	Прогиб (стрела прогиба)	< 25 мкм
Warp	Коробление	< 30 мкм
Ориентация	Кристаллографическая плоскость	(100), (111)B, (110)
Разориентация	Отклонение от номинальной ориентации	0°, 2°, 6° к (011) или (0-1-1)
Тип проводимости	n-тип, p-тип или полуизолирующий	—
Удельное сопротивление (s-i)	Для полуизолирующих подложек	107–109 Ом·см
Подвижность (n-тип)	Холловская подвижность электронов	> 4000 см²/(В·с)
EPD (плотность дислокаций)	Etch pit density — после селективного травления	500–10 000 см−2
Полировка	ОСП (одностороняя), ДСП (двусторонняя)	SSP / DSP

Собственные оксиды и пассивация поверхности GaAs

Поверхностная химия арсенида галлия принципиально отличается от кремниевой и представляет одну из главных технологических проблем. Собственный оксид GaAs не является диэлектриком с воспроизводимыми свойствами — он представляет собой нестехиометрическую смесь Ga₂O₃, As₂O₃ и элементарного мышьяка. Этот оксид создаёт высокую плотность поверхностных состояний в запрещённой зоне, закрепляя (pinning) уровень Ферми вблизи середины зоны.

Закрепление уровня Ферми на поверхности GaAs имеет два важных следствия:

• Невозможность создания классических МОП-транзисторов (MOSFET) — аналогов кремниевой КМОП-технологии. Вместо этого на GaAs реализуют полевые транзисторы с барьером Шоттки (MESFET) и транзисторы с гетеропереходом (HEMT, HBT).
• Высокая скорость поверхностной рекомбинации (~10⁶ см/с), снижающая эффективность оптоэлектронных приборов и требующая использования пассивирующих слоёв (AlGaAs, InGaP).

Для пассивации поверхности GaAs применяют обработку в сульфидных растворах ((NH₄)₂S), нанесение тонких диэлектрических слоёв (Si₃N₄, Al₂O₃) или выращивание широкозонных полупроводниковых «окон» (AlGaAs, InGaP).

Ионная имплантация в GaAs

В отличие от кремниевой технологии, где диффузия примесей является стандартным методом легирования, в GaAs предпочтительна ионная имплантация. Причина: поверхность GaAs не выдерживает высоких температур, необходимых для диффузии (разложение с потерей мышьяка начинается при относительно низких температурах).

После ионной имплантации проводится отжиг для активации внедрённых примесей и восстановления кристаллической решётки. Отжиг выполняется в атмосфере мышьяка или под защитным покрытием (Si₃N₄, SiO₂) при температурах 700–900 °C. Быстрый термический отжиг (RTA) в течение нескольких секунд минимизирует перераспределение примесей.

Краткая история развития технологии GaAs

Арсенид галлия был впервые синтезирован Виктором Гольдшмидтом в 1926 году пропусканием паров мышьяка с водородом над оксидом галлия при 600 °C. Полупроводниковые свойства GaAs и других соединений A^IIIB^V были систематически изучены и запатентованы Генрихом Велькером в 1951 году (публикация 1952 года). Коммерческое производство монокристаллов началось в 1954 году.

Ключевые вехи развития:

• 1962 — создание первых полупроводниковых лазеров на основе GaAs (работавших при криогенных температурах).
• 1970-е — разработка гетероструктурных лазеров AlGaAs/GaAs, работающих при комнатной температуре (Жорес Алфёров, Герберт Крёмер — Нобелевская премия по физике 2000 года).
• 1970–1980-е — освоение технологий МЛЭ и MOCVD, массовое производство СВЧ-транзисторов, начало применения GaAs в космических солнечных батареях.
• 1990–2000-е — широкое внедрение GaAs-усилителей мощности в мобильных телефонах, развитие VCSEL-лазеров.
• 2010-е — настоящее время — GaAs остаётся основой радиочастотных модулей мобильных устройств (включая 5G), многопереходных солнечных элементов, VCSEL для 3D-сенсоров.

Хранение и транспортировка подложек GaAs

Подложки арсенида галлия требуют соблюдения определённых условий хранения для сохранения качества поверхности:

• Хранение в чистых помещениях или в герметичной упаковке с осушителем.
• Температура хранения — комнатная (18–25 °C), относительная влажность — не более 50 %.
• Подложки размещаются в стандартных кассетах по 25 штук, кассеты упаковываются в двойные вакуумные пакеты с азотной подушкой.
• Срок хранения epi-ready подложек в заводской упаковке ограничен (обычно 6–12 месяцев) — со временем на поверхности образуется нативный оксидный слой, ухудшающий качество последующей эпитаксии.
• Транспортировка — в ударопрочных контейнерах с защитой от механических вибраций.