Arseneto de Gálio e suas aplicações

O que é Arseneto de Gálio

O Arseneto de Gálio, de fórmula GaAs, é um composto formado por quantidades iguais dos elementos químicos gálio (elemento 31 na tabela periódica) e arsênico (elemento de número atômico 33). Trata-se de um material semicondutor do tipo III/V (elementos dos grupos III e V da tabela periódica), que é largamente empregado na manufatura de dispositivos como circuitos integrados para frequência de microondas, diodos emissores de luz infravermelhos, diodos laser, células solares, LEDs comuns, transistores JFET e MOSFET e janelas ópticas.

O GaAs é frequentemente utilizado como um material de substrato para o crescimento epitaxial de outros semicondutores III/V tais como InGaAs e GaInNAs. Sua densidade é de 5,32 g/cm³.

O GaAs é resistente a danos causados por exposição à umidade, radiação e luz ultravioleta. Por conta dessas propriedades, esse material é uma excelente opção para aplicações aeroespaciais, nas quais outros tipos e semicondutores seriam facilmente danificados por esses fatores.

Aplicações do GaAs

Algumas das principais aplicações do arseneto de gálio são:

• Fabricação de LEDs
• Construção de Diodos Laser
• Células Solares de alta eficiência
• Detetores luminosos (sensores)
• Transistores de alta frequência (250 GHz) e alta potência
• Emissores de ondas na faixa de THz (terahertz)

Breve Histórico

1250 – O alquimista Albert, o Grande foi o primeiro a obter o elemento Arsênico quase puro

1874 – Lecoq de Boisbaudran descobre o Gálio enquanto estudava o Zinco. Após procurar por anos, ele percebeu que o Gálio poderia ser o próximo elemento após o zinco, baseado nas tendências periódicas da tabela de Dmitri Mendeleev.

1907 – Henry Joseph Round, pesquisador de rádio britânico, que era assistente de Marconi, descobre a emissão infravermelha chamada eletroluminescência do arseneto de gálio quando fazia experimentos com o material e um detetor a cristal (cat´s whisker / bigode de gato)

1962 – O físico da IBM J. B. Gunn realiza pesquisas com o GaAs que levam à descoberta de oscilações de ata frequência da corrente elétrica que flui através de determinados sólidos semicondutores – o agora conhecido “Efeito Gunn“. Esta descoberta pavimentou o caminho para a construção dos primeiros detectores militares, usando diodos Gunn.

1970 – As primeiras células solares de GaAs foram criadas pela equipe liderada por Zhores Alferov, na URSS.

1978 – Engenheiros da empresa Tektronix começam a realizar experimentos com o arseneto de gálio como material base para a fabricação de circuitos integrados. Sete anos depois, é formada a corporação TriQuint Semiconductor como uma subsidiária da Tektronix.

Década de 1980 – A eficiência das células solares de GaAs ultrapassa a das células solares convencionais baseadas em silício.

1985 – Microprocessadores de GaAs desenvolvidos pela RCA são considerados para o programa militar Guerra nas Estrelas do Departamento de Defesa dos Estados Unidos, iniciado pelo então presidente Reagan.

1998 – A empresa RFMD (RF Micro Devices, que se fundiu com a TriQuint formando a atual Qorvo) anunciou que 87% do faturamento da empresa, para o trimestre que finalizou em 30 de junho, foi derivado da venda de transistores bipolares de heterojunção fabricados com GaAs, sendo manufaturados pela TRW, maior acionista da empresa.

Década de 1990 – Células solares de arseneto de gálio suplantam células de silício como o tipo mais empregado em arrays para aplicações de satélites.

Alguns fatos interessantes sobre o arseneto de gálio

• Ao contrário das células solares fabricadas com silício (Si), as células feitas com arseneto de gálio são relativamente insensíveis ao calor.
• Ligas feitas de GaAs usando materiais como alumínio (Al), fósforo (P), antimônio (Sb) ou índio (In) possuem características complementares às do GaAs, permitindo assim grande flexibilidade.
• O GaAs é muito resistente a danos por radiação. Isso, juntamente com sua alta eficiência, torna o arseneto de gálio altamente desejável em aplicações espaciais.
• Porém, o GaAs tem algumas desvantagens. A maior barreira para o sucesso de dispositivos de GaAs tem sido o alto custo de um substrato de GaAs de cristal único.
• O GaAs, quando umedecido, exala um odor semelhante ao do alho.
• O elemento Gálio, quando puro, é um metal que se funde à temperatura de 29°C. Isso significa quem, em uma dia quente, é possível derreter um pedaço do metal apenas segurando-o na palma da mão!
• O elemento Arsênico é muito tóxico, sendo usado atualmente na fabricação de venenos contra pragas, e ao longo da história, como forma de se livrar de “pessoas indesejáveis”.
• Células solares de GaAs alimentam os veículos de exploração Spirit e Opportunity, que exploram a superfície do planeta Marte. Na prática, programas espaciais já vem usando células solares de arseneto de gálio há mais de 25 anos.
• O arseneto de gálio já vem sendo empregado na fabricação de células solares há mais de quatro décadas.

Contras do GaAs

O GaAs possui, porém, um problema: o material tem custo elevado. Espera-se que seu custo de fabricação decline ao longo dos p´roximos anos, permitindo que o material possa ser empregado em escala cada vez maior.