ガリウムヒ素（GaAs）の特性、構造、用途

結晶構造と電子的特性

GaAsは最も一般的には閃亜鉛鉱型（立方晶）構造で結晶化し、直接電子バンドギャップを有する。この直接バンドギャップにより、GaAsは光の放出および吸収を効率よく行うことができ、シリコンのような間接バンドギャップ半導体とは区別される。また、シリコンより電子移動度が高く、高周波における性能の向上に寄与する。構成元素の基礎情報は、ガリウムおよびヒ化物を参照。

製造と加工

GaAsの単結晶およびエピタキシャル膜は、分子線エピタキシー（MBE）や有機金属化学気相成長法（MOCVD）などにより一般的に製造される。これらの方法では、組成、ドーピング、ならびにヘテロ構造の形成（例：AlGaAs/GaAs層）を精密に制御できる。ドナーまたはアクセプターによるドーピングは、特定の素子機能に合わせて電気伝導性を調整する。イオン性・共有結合性化合物でイオンとされる材料も参照。

用途と応用

• 光電子工学：発光ダイオード（LED）、レーザーダイオード、光検出器は、GaAsの直接バンドギャップの利点を活用する。
• 高周波エレクトロニクス：マイクロ波・ミリ波集積回路、レーダー、衛星用送受信機は、その高い電子移動度を利用する。
• 太陽電池：宇宙用途の太陽電池では、耐放射線性と高効率を理由にGaAsがしばしば用いられる。
• 研究用デバイス：ヘテロ構造、量子井戸、高電子移動度トランジスタ（HEMT）は、GaAsまたは関連合金を用いて作製される。

安全性と特記事項

ヒ素化合物は有毒となり得るため、GaAsの合成および加工では、曝露と環境への放出を抑えるための適切な管理が必要である。この材料は多くの化合物半導体技術の基盤でもあり、電子的・光学的特性を調整するため、アルミニウムやインジウムなどと合金化されることが多い。酸化数と結合に関する技術的な詳細については、化合物中のガリウムの酸化数に関する資料を参照。

GaAsは光学的特性と電子的特性を兼ね備えるため、高周波での性能、発光の高効率、または宇宙環境における耐性が、シリコンに比べた高コストを上回る特殊用途において、依然として重要な材料である。