비소화 갈륨(Gallium arsenide, GaAs)은 갈륨(Ga)과 비소(As)로 구성된 III-V족 화합물 반도체이다. 화학식은 GaAs이며, 아연블렌드(zinc blende) 결정 구조를 가진다. 상온에서의 띠간격(band gap)은 약 1.424 eV로, 직접 천이형(direct band gap) 반도체에 해당한다.
비소화 갈륨은 실리콘(Si)에 비해 전자 이동도가 약 5~6배 높고, 포화 전자 속도가 커서 250 GHz 이상의 고주파 영역에서도 동작이 가능하다. 또한 직접 천이형 밴드갭을 가지므로 빛을 효율적으로 흡수하고 방출할 수 있어, 발광 다이오드(LED) 및 레이저 다이오드 제조에 사용된다. 실리콘은 간접 천이형 밴드갭을 가지므로 발광 효율이 상대적으로 낮다.
비소화 갈륨의 주요 용도는 다음과 같다.
- 고주파 및 마이크로파 소자: 휴대폰의 RF 전력 증폭기, 위성 통신, 레이더 시스템 등에 사용되는 모놀리식 마이크로파 집적회로(MMIC)의 핵심 재료이다.
- 광전자 소자: 적외선 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 광검출기 등에 사용된다.
- 태양전지: 단결정 박막 태양전지 및 다중접합 태양전지에 사용된다. GaAs 태양전지는 광변환 효율이 40%에 달하여 실리콘 태양전지(약 16%)보다 높은 효율을 보이며, 인공위성용 태양전지에 널리 사용된다. 2019년 기준 단일 접합 태양전지 세계 최고 효율(29.1%) 기록을 보유하고 있다.
- 고속 디지털 논리 회로: 직접 결합 FET 로직(DCFL), 소스 결합 FET 로직(SCFL) 등의 방식으로 초고속 집적회로에 사용된다.
비소화 갈륨의 단점으로는 실리콘 대비 높은 제조 비용이 있다. GaAs 웨이퍼의 가격은 실리콘 웨이퍼에 비해 약 15배가량 높으며, 비소의 독성으로 인해 제조 과정에서 특별한 취급이 필요하다. 또한 실리콘과 달리 자연 산화물이 안정적인 절연층을 형성하지 못하여, 금속-산화물 반도체(MOS) 구조 형성이 어렵다. 열전도율도 실리콘의 약 3분의 1 수준이다.
비소화 갈륨 단결정은 주로 액체 캡슐화 초크랄스키법(LEC), 수평 브리지만-스톡바거법, 수직 경사 동결법(VGF) 등의 공정으로 제조된다. 박막 성장에는 분자선 에피택시(MBE) 또는 유기금속 기상 에피택시(MOVPE)가 사용된다.
비소화 갈륨은 국제암연구소(IARC) 및 캘리포니아주에 의해 발암 가능 물질로 분류되어 있으며, 취급 시 주의가 필요하다.
