갈륨비소

갈륨비소(Gallium arsenide, GaAs)

갈륨비소(Gallium arsenide, GaAs) 또는 비소화 갈륨은 갈륨과 비소로 구성된 화합물이다. 실리콘을 대체할 반도체 소자로 각광받고 있는 물질이다.

GaAs 태양전지는 태양에너지를 전기로 바꿔주는 광변환 효율이 40%로서, 실리콘 태양전지(16%)보다 두 배 이상 효율이 높다.

GaAs는 개발 초기에는 주로 태양전지에 많이 쓰였는데, GaAs의 광변환 효율이 40%로 실리콘(16%)보다 두 배 이상 높기 때문이다. 때문에 갈륨비소 태양전지는 실리콘 태양전지보다 훨씬 작게 만들 수 있고 원재료 사용량도 획기적으로 줄일 수 있다. 1980년대 초반에 갈륨비소 태양전지의 효율이 실리콘 태양전지 효율을 처음으로 뛰어넘었고 1990년대 이르러서는 인공위성에 쓰이는 실리콘 태양전지를 대부분 갈륨비소 태양전지로 대체하였다.

현재 GaAs는 태양전지를 넘어 아예 실리콘을 대체할 반도체 소자로 주목받고 있다. 갈륨비소는 실리콘에 비해 신호처리 속도가 6배가량 빠르고 전력 소모량은 3분의 1 수준으로 효율이 높기 때문. 다만 문제는 가격인데, 이는 GaAs 웨이퍼의 결함률이 실리콘에 비해 훨씬 높기 때문. 기술의 발전으로 GaAs 웨이퍼 수율이 과거에 비해 많이 높아지긴 했지만 여전히 가격이 실리콘 웨이퍼에 비해 15배가량 높다. 또한 비소가 독성 물질이기 때문에 제조시 실리콘에 비해 취급에 많은 비용이 소모되는 점도 있다. 그나마도 비소를 질소로 바꾼 질화갈륨(GaN)이 등장하면서 설 자리를 잃어가고 있다.

아이폰 등 현재의 스마트폰은 대규모집적회로(LSI), 갈륨비소(GaAs) 반도체, 리튬이온 배터리가 없었다면 불가능한 제품이다.

개요

갈륨비소는 갈륨(Ga)과 비소(As)의 결합으로 이루어진 화합물이다. 화학식은 GaAs로 표기한다.

갈륨비소는 반도체 소재로서 높은 전자 이동성과 광전자 특성을 가지고 있어, 다양한 전자 및 광전자 기기에서 사용된다. 이 물질은 태양전지, 레이저 다이오드, 고주파 전자 장치 등에서 중요한 역할을 한다. 갈륨비소는 실리콘에 비해 높은 전자 이동성을 가지고 있으며, 고온에서도 안정적으로 작동한다. 따라서, 고속 및 고온 환경에서 사용되는 전자 기기에서 필수적인 소재로 활용된다.

특징

갈륨비소는 독특한 물리적, 화학적 특성을 가지고 있어, 첨단 기술 분야에서 널리 사용됩니다. 다음은 갈륨비소의 주요 특징이다.

1. 높은 전자 이동성 : 갈륨비소는 높은 전자 이동성을 가지고 있어, 고속 전자 장치에서 사용된다.
2. 광전자 특성 : 이 물질은 탁월한 광전자 특성을 가지고 있어, 레이저 다이오드와 태양전지 등에 사용된다.
3. 고온 안정성 : 갈륨비소는 고온에서도 안정적으로 작동하여, 극한 환경에서도 활용 가능하다.
4. 반도체 특성 : 갈륨비소는 반도체 특성을 가지고 있어, 다양한 전자 기기에서 핵심 소재로 사용된다.

갈륨비소의 안전성

갈륨비소는 유용한 화합물이지만, 그 사용에는 몇 가지 안전성 문제가 따른다. 다음은 갈륨비소의 주요 안전성 고려 사항이다.

1. 독성 : 갈륨비소는 비소를 포함하고 있어, 인체에 유해할 수 있습니다. 따라서 취급 시 적절한 보호 장비를 착용해야 한다.
2. 환경 영향 : 갈륨비소 폐기물은 환경에 해로울 수 있으며, 적절한 폐기 및 재활용 절차가 필요하다.
3. 작업장 안전 : 갈륨비소를 사용하는 작업장은 충분한 환기와 안전 장치가 갖추어져 있어야 하며, 작업자는 정기적으로 건강 검진을 받아야 한다.

이러한 안전 조치를 통해 갈륨비소의 위험을 최소화하고, 안전하게 사용할 수 있다.

갈륨비소 반도체의 특성

정보통신 기술이 발전하면서 유선과 무선을 이용한 데이터, 음성, 멀티미디어 전송이 점점 더 증가하고 있고, 이에 따라 더욱 높은 동작주파수와 대역폭에 대한 요구가 발생해 왔다. 반면에 고성능 통신 애플리케이션에서 실리콘 기반 솔루션은 한계를 드러냈으며 이에 대한 대안으로 떠오른 것이 갈륨비소 반도체 기술이다.

실리콘이 4족 원소로 구성돼 안정성을 보이는데 반해 갈륨비소는 3족 원소인 갈륨(Ga)과 5족 원소인 비소(As)를 혼합한 화합물로 여러 다른 특성을 보인다.

우선 갈륨비소는 실리콘에 비해 전자의 이동 속도가 약 6배 가량 빠른 특성을 갖는다. 따라서 연산속도도 6배 빠르다고 할 수 있다. 또 트랜지스터 구조가 간단하여 많은 트랜지스터를 집적할 수 있다. 250GHz에 이르는 고주파 대역까지 처리할 수 있으며 실리콘과 비교해 동작시 노이즈가 적은 장점이 있다.

하지만 무엇보다도 갈륨비소의 가장 큰 특징은 에너지를 빛으로 발산하는 성질이 있는 점이다. 바꿔말하면 발광 효율이 좋다고 할 수 있는데 이는 전도띠(conduction band)의 최저점과 원자가띠(valence band)의 최고점이 일직선상에 위치하는 특성(direct band gap) 때문이다.

하지만 갈륨비소도 몇 가지 단점을 갖고 있다. 우선 갈륨비소는 웨이퍼의 크기가 커질 경우 쉽게 깨지는 특성이 있다. 실리콘웨이퍼가 200~300mm가 주로 쓰이는 반면 갈륨비소는 주로 50mm 웨이퍼를 사용한다. 경쟁소재라고 할 수 있는 실리콘의 지구 매장량이 풍족하고 값이 워낙 싸기 때문에, 갈륨비소는 고가의 소재가 돼버렸다.

또한 실리콘과 달리 CMOS으로 처리 할 수 없기 때문에 구동시 전력 소모가 심한 단점이 있다. 이 점이 실리콘 반도체와 경쟁에서 쳐지는 가장 큰 이유로 전문가들은 지적하고 있다.

갈륨비소의 용도

갈륨비소는 다양한 산업과 첨단 기술 분야에서 중요한 역할을 한다. 다음은 갈륨비소의 주요 용도이다.

1. 태양전지

갈륨비소는 높은 효율을 가진 태양전지의 주요 소재로 사용된다.

2. 레이저 다이오드

이 물질은 레이저 다이오드의 핵심 소재로 사용되며, 통신 및 의료 기기에서 중요한 역할을 한다.

3. 고주파 전자 장치

갈륨비소는 고주파 전자 장치, 특히 고주파 통신 장비와 위성 통신 장치에서 필수적인 역할을 한다.

4. LED

갈륨비소는 LED 제조에 사용되며, 고효율과 고휘도의 LED 생산에 기여한다.

5. 트랜지스터

갈륨비소는 전력 트랜지스터의 소재로 사용되며, 고속 스위칭과 고효율을 제공한다.

6. 의료 기기

갈륨비소는 의료 진단 장비와 치료 기기에서 중요한 역할을 하며, 높은 신뢰성과 효율성을 제공한다.

참고자료

• 〈갈륨비소〉, 《나무위키》
• 〈비소화 갈륨〉, 《위키백과》
• 약방의감초, 〈'갈륨비소(gallium arsenide)'특징,용도,안전성,분야〉, 《티스토리》, 2024-06-26
• 와빠시, 〈GaAs(갈륨비소) 반도체〉, 《네이버 블로그》, 2008-09-17

같이 보기

• 웨이퍼
• 실리콘
• 갈륨
• 비소

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