Arséniure de gallium

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Arséniure de gallium
Sphalerite polyhedra..png
__ Ga3+     __ As3−
Maille cristalline de l'arséniure de gallium
Gallium arsenide crystal.jpg
Cristal d'arséniure de gallium
Identification
Nom IUPAC Arséniure de gallium
No CAS 1303-00-0
No EINECS 215-114-8
No RTECS LW8800000
PubChem 14770
SMILES
InChI
Apparence solide cristallin gris sombre
Propriétés chimiques
Formule brute AsGa  [Isomères]GaAs
Masse molaire[1] 144,645 ± 0,001 g/mol
As 51,8 %, Ga 48,2 %,
Propriétés physiques
fusion 1 239,9 °C
Masse volumique 5 318 kg·m-3
Propriétés électroniques
Bande interdite 1,424 eV
Mobilité électronique à 300 K : 9 200 cm²/(V·s)
Mobilité des trous à 26,85 °C : 400 cm2·V-1·s-1
Masse effective de l'électron 0,067 me
Masse effective du trou léger 0,082 me
Masse effective du trou lourd 0,45 me
Cristallographie
Structure type blende
Paramètres de maille 0,56533 nm
Précautions
Directive 67/548/EEC[3]
Toxique
T
Dangereux pour l’environnement
N



Transport[3]
66
   1557   

60
   1557   
NFPA 704

Symbole NFPA 704

Autres infos toxique, se décompose en Arsenic (très toxique)
SGH[3]
SGH06 : ToxiqueSGH09 : Danger pour le milieu aquatique
Danger
H301, H331, H410, P261, P301, P304, P310, P321, P340, P405, P501,
Classification du CIRC
Groupe 1 : Cancérogène pour l'homme[2]
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

L'arséniure de gallium est un composé chimique de formule brute GaAs appartenant à la famille des semiconducteurs III-V. C'est un matériau semiconducteur utilisé notamment pour réaliser des composants micro-ondes et des composants opto-électroniques, des diodes électroluminescentes dans l'infrarouge ou des cellules photovoltaïques. Le GaAs est dit « III-V » car le gallium et l’arsenic se trouvent respectivement dans les colonnes III et V du tableau périodique des éléments, et présentent donc trois et cinq électrons de valence.

Structure cristalline[modifier | modifier le code]

L'arséniure de gallium possède une structure cristalline de type blende. Si l'on considère que les atomes de gallium suivent une structure de type cubique à faces centrées (CFC), les atomes d'arsenic occupent quant à eux 4 des 8 sites tétraédriques de cette maille (et vice-versa).

Fabrication[modifier | modifier le code]

L'arséniure de gallium peut être préparé directement par réaction directe entre les éléments arsenic et gallium, principe utilisé dans de nombreux procédés industriels[4] :

  • Croissance de cristal utilisant un four horizontal par la technique de Bridgman-Stockbarger, dans laquelle des vapeurs de gallium et d'arsenic réagissent pour former des molécules libres qui se déposent sur un germe cristallin dans la partie la plus froide du four.
  • Méthode LEC (Liquid encapsulated Czochralski) utilisée pour produire des monocristaux à haute pureté qui présentent des caractéristiques semi-isolantes.

Parmi les autres méthodes destinées à former des couches minces de GaAs, on compte[4],[5] :

Dans l'industrie, la gravure humide de l'arséniure de gallium est effectuée en utilisant un oxydant tel que le peroxyde d'hydrogène ou l'eau bromée[6].

L'arséniure de gallium est oxydable dans l'air, ce qui dégrade ses performances en tant que semi-conducteur. Il est possible de passiver sa surface en y déposant une couche de sulfure de gallium(II) cubique[7].

Comparaisons GaAs-Silicium[modifier | modifier le code]

Atouts de l'arséniure de gallium[modifier | modifier le code]

L'arséniure de gallium a quelques propriétés électriques supérieures à celles du silicium :

  • il possède une plus grande vitesse de saturation des électrons, et ceux-ci ont une mobilité plus grande, ce qui lui permet de fonctionner à des fréquences supérieures à 250 GHz ;
  • les dispositifs à technologie GaAs génèrent moins de bruit en hautes fréquences que ceux à base de silicium ;
  • ils peuvent de même fonctionner à puissance plus élevée, du fait d'une tension de claquage plus élevée.
  • il possède un gap direct, ce qui lui confère des propriétés d'opto-électronique supérieures

Ces propriétés font que l'arséniure de gallium peut être utilisé, notamment dans la fabrication de circuits pour téléphones portables, communications par satellite, technologie micro-onde, ainsi que certains dispositifs à radar. L'arséniure de gallium est aussi utilisé dans la fabrication de diode Gunn.

Un autre atout de l'arséniure de gallium est son gap direct (contrairement au silicium qui a lui un gap indirect) ce qui lui permet d'émettre de la lumière (le silicium émet très peu de lumière, même si de récentes avancées technologiques ont permis de l'utiliser pour faire des LEDs ou des lasers).

Les propriétés de l'arséniure de gallium, en particulier sa vitesse de commutation, l'ont fait paraître comme un matériau idéal, notamment pour des applications en informatique. Dans les années 1980, beaucoup pensaient que le marché de la microélectronique serait dominé à terme par l'arséniure de gallium, remplaçant ainsi le silicium. La première tentative d'évolution est due aux vendeurs de superordinateurs Cray Research, Convex, et Alliant. Cray développa une machine à base d'arséniure de gallium, le cray-3, mais les efforts financiers de recherche furent insuffisants, et la compagnie fit faillite en 1995.

Atouts du silicium[modifier | modifier le code]

Le silicium possède trois principaux avantages vis-à-vis de l'arséniure de gallium.

Tout d'abord il est particulièrement abondant (élément le plus abondant sur Terre après l'oxygène). Plus robuste, il permet de faire des tranches plus grandes (~300 mm comparé à ~150 mm pour l'arséniure de gallium).

Le second avantage du silicium est l'existence d'un oxyde naturel, le dioxyde de silicium (SiO2), un excellent isolant. On peut faire croitre facilement cet isolant en oxydant le silicium pour former la grille du transistor. L'arséniure de gallium ne possède pas d'oxyde naturel aux propriétés équivalentes.

Le troisième est sans doute le plus important. L' absence de transistors à effet de champ canal-P en arséniure de gallium de qualité ne permet pas la mise en œuvre de la technologie CMOS, alors qu'avec le silicium, on peut facilement fabriquer des transistors P et N pour former une porte CMOS.

Ces raisons et son cout plus élevé font que l'arséniure de gallium n'a jamais pu être vraiment compétitif vis-à-vis du silicium.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. IARC Working Group on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans, « Evaluations Globales de la Cancérogénicité pour l'Homme, Groupe 1 : Cancérogènes pour l'homme », sur http://monographs.iarc.fr, CIRC,‎ 16 janvier 2009 (consulté le 22 août 2009)
  3. a, b et c Entrée de « Gallium arsenide » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 14 septembre 2011 (JavaScript nécessaire)
  4. a et b (en) S. J. Moss, A. Ledwith, The Chemistry of the Semiconductor Industry, Springer,‎ 1987 (ISBN 0-216-92005-1)
  5. (en) Lesley Smart, Elaine A. Moore, Solid State Chemistry: An Introduction, CRC Press,‎ 2005 (ISBN 0-7487-7516-1)
  6. (en) M. R. Brozel, G. E. Stillman, Properties of Gallium Arsenide, IEEE Inspec,‎ 1996 (ISBN 0-85296-885-X)
  7. (en) A. R. Barron, M. B. Power, A. N. MacInnes, A. F.Hepp, P. P. Jenkins, Chemical vapor deposition from single organometallic precursors (en) Brevet U.S. 5300320 (1994)

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]