Arsenek galu

Krzem, o którym pisałem niedawno, spowodował rewolucję informatyczno-elektroniczną. Komputery, telewizory, pralki, wszystko to działa dzięki krzemowym tranzystorom i układom scalonym (czyli matrycom milionów tranzystorów). 

Krzem jednak, oprócz wielkich dwóch zalet, że jest tani (piasku jest dużo) i można stosunkowo łatwo z nich wyhodować niemal doskonałe monokryształy, to ma jedną dużą wadę. Wada to tzw., skośna przerwa energetyczna. Oznacza to, że elektron, który jest oderwany od atomów (jest w energetycznym paśmie przewodnictwa) spotykając się z dziurą po takim oderwanym elektronie, musi wyemitować fonon (drganie sieci krystalicznej). Tego rodzaju zdarzenie związane jest z małym prawdopodobieństwem wyemitowania nadmiaru energii poprzez foton. Dlatego krzem nie bardzo nadaje się na emitery światła (podczerwonego).

Materiałem, który się nadaje, jest arsenek galu i najrozmaitsze stopy związków III-V, czyli InGaAs, InGaP, AlGaAs, itp. Podczas przepuszczania prądu przez diodę p-n (p- materiał , gdzie jest nadmiar dziur, n- gdzie jest nadmiar elektronów) powodujemy emisję światła. W zależności od składu chemicznego warstwy występującej na tym złączu p-n, może być to światło podczerwone, czerwone, albo żółte. Wszystkie diody LED i diody laserowe w tych kolorach są właśnie na bazie arsenku galu.

Rynek LED-ów czerwonych jest dość duży (rzędu miliarda USD rocznie), ale nie oszałamiająco duży. Najprawdopodobniej, dzięki temu, że mamy od niedawna diody także niebieskie i zielone (oparte o azotek galu), produkcja czerwonych emiterów nabierze rozpędu, bo naprawdę sexy jest wtedy, jak mamy wszystkie kolory światła widzialnego.

Rynkiem, który jest kilka razy większy są arsenkowe diody laserowe (będzie o nich w jednym z następnych notek). Każdy z nas ma takie urządzenie w swojej odtwarzarce, czy nagrywarce DVD (tylko Bluray ma niebieską na bazie GaN). Ale moce laserów arsenkowych są już tak duże (kilka watów mocy optycznej), że można je stosować np., do cięcia metali.

Oprócz optoelektroniki, okazało się, że tranzystory arsenkowe mogą działać szybciej i mieć większe moce, przez co znajdują zastosowanie w naszych telefonach komórkowych. Niestety, na zamianę procesorów z krzemowych na arsenkowe nie ma wielkiej szansy ze względu na dużo gorszą jakość krystalograficzną GaAs w porównaniu z Si.

Produkcja wszystkich przyrządów opartych o GaAs wynosi około 5 mld dolarów i ostatnio dość szybko rośnie. Rośnie, ale przed kilkoma laty mieliśmy sporą zapaść, bo  okazało się, że po olbrzymim wzroście na przełomie wieków nagle spadło zapotrzebowanie na lasery telekomunikacyjne, bo takowe się w ogóle nie psują (czasy życia kilkaset tysięcy godzin).

W tym atrakcyjnym rynku Polska w ogóle nie uczestniczy. Kiedyś moi Koledzy próbowali rozpocząć produkcję monokryształów GaAs w Laboratorium Fizyki Wzrostu Kryształów przy ulicy Przyokopowej w Warszawie. Niestety, brak umiejętności współpracy, brak umiejętności zdobywania finansowania, spowodował, że nic z tego nie wyszło, a gwóźdź do trumny wbił prezydent (Warszawy) L.Kaczyński, wyrzucając LFWK, a instalując tam Muzeum Powstania Warszawskiego. Co ciekawe, pisałem listy w tej sprawie do różnych gazet, ale żadna nic nie wydrukowała.

Na warszawskim Służewcu zaś fabryka TEWA w latach 80-tych zakupiła licencję na produkcję czerwonych diod LED, ale, niestety, zanim produkcja została uruchomiona, świat tak poprawił technologię, że produkcja stracila sens. 

Tak więc nic nie produkujemy na bazie arsenku galu, ale za to wydaliśmy ładnych kilkaset milionów złotych na badania tego materiału. Na przykład, ja mam dzięki temu doktorat! Ale, oczywiście, dużo lepiej byłoby, gdyby moje badania do czegoś w Polsce się przydały...

W następnej notce, o azotku galu, postaram się być bardziej optymistyczny...