砷化鎵

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砷化鎵
IUPAC名
Gallium arsenide
识别
CAS号 1303-00-0
SMILES
性质
化学式 GaAs
摩尔质量 144.645 g·mol⁻¹
外观 灰色立方晶体
密度 5.316 g/cm3[1]
熔点 1238 °C (1511 K)
溶解性 < 0.1 g/100 ml (20 °C)
能隙 1.424 eV300 K
电子迁移率 8500 cm2/(V*s) (300 K)
熱導率 0.55 W/(cm*K) (300 K)
折光度n
D
3.3
结构
晶体结构 闪锌矿结构
空间群 T2d-F-43m
配位几何 四面体
分子构型 直线形
危险性
欧盟危险性符号
有毒有毒 T
危害环境危害环境N
警示术语 R:R23/25-R50/53
安全术语 S:S1/2-S20/21-S28-S45-S60-S61
MSDS MSDS
NFPA 704
NFPA 704.svg
1
3
2
W
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

砷化鎵化學式GaAs)是兩種元素所合成的化合物,也是重要的IIIA族VA族化合物半导体材料,用來製作微波積體電路[註 1]紅外線發光二極體半导体激光器太陽電池等元件。

性质[编辑]

砷化镓是重要的化合物半导体材料,外观呈亮灰色,具金属光泽、性脆而硬。常温下比较稳定。加热到873K时,外表开始生成氧化物形成氧化膜包腹。常温下,砷化镓不与盐酸硫酸氢氟酸等反应,但能与浓硝酸反应,也能与热的盐酸和硫酸作用。

制备[编辑]

砷化镓天然存量稀少,通常采用直接化合的方法,其中水平区域熔炼法是普遍采用的方法。通过区域提纯便可获得单晶。 采用间接的方法也可获得砷化镓。如一氯化镓英语Gallium chloride用砷蒸气还原来制备砷化镓;Ga(CH3)3英语trimethylgalliumAsH3在一定温度下,发生热分解得到砷化镓。

4GaCl + 2H2 + As4 → 4GaAs + 4HCl
Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4

應用[编辑]

砷化鎵的優點[编辑]

1.電子物理特性
砷化鎵(GaAs)擁有一些比(Si)還要好的電子特性,如高的飽和電子速率英语Saturation velocity及高的电子迁移率,使得GaAs可以用在高於250 GHz的場合。如果等效的GaAs和Si元件同時都操作在高頻時,GaAs會擁有較少的雜訊。也因為GaAs有較高的崩潰電壓,所以GaAs比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性,GaAs電路可以運用在行動電話衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。GaAs曾用來做成Gunn diode(中文翻做「甘恩二極體」或「微波二極體」,中国大陆地区叫做「耿氏二极管」)以發射微波。現今RF英语Radio frequencyCMOS雖可達到高操作頻率及高整合度,但其先天物理上缺點如低击穿电压、矽基板高頻損耗、訊號隔離度不佳、低輸出功率密度等,使其在功率放大器及射頻開關應用上始終難以跟砷化鎵匹敵。[2]
2.能隙
GaAs的的另一個優點:它是直接能隙英语Direct and indirect band gaps的材料,所以可以用來發光。而Si是間接能隙英语Indirect bandgap的材料,只能發射非常微弱的光。(但是,最近的技術已經可以用Si做成LED和運用在雷射發光效率仍不甚理想。)
3.切換速度
因為GaAs的切換速度很快,所以GaAs被認為是電腦應用的理想材料。1980年代時,大家都認為微電子市場的主力將從Si換成GaAs。首先試著要去改變的有超級電腦的供應商克雷公司Convex電腦公司英语Convex ComputerAlliant電腦系統公司英语Alliant Computer Systems,這些公司都試著要搶下CMOS微處理器技術的領導地位。Cray公司最後終於在1990年代早期建造了一台GaAs為基礎的機器,叫Cray-3。但這項成就還沒有被充分地運用,公司就在1995年破產了,1996年為硅谷图形公司收購,經種種難關,2000年後原名復活。
4.抗天然輻射
砷化鎵比矽更不會受到自然輻射的干擾,不易產生錯誤訊號。[3]

矽的優點[编辑]

矽(Si)比GaAs好,有三個主要理由。

  1. 矽(Si)製程是大量生產且便宜的製程。且矽(Si)有較好的物理應力,所以可做成大尺寸的晶圓(現今,Si晶圓直徑約為300 mm,而GaAs晶圓最大直徑約只有150 mm)。在地球表面上有大量矽(Si)的原料:矽酸鹽礦。矽工業已發展到規模經濟(透過高的產能以降低單位產品的成本)的情形了,更降低了工業界使用GaAs的意愿。
  2. 矽(Si)來源多且很容易就會變成二氧化矽(在電子元件中,這是一種很好的絕緣體)。二氧化矽可以輕易地被整合到矽(Si)電路中,且二氧化矽和矽(Si)擁有很好的界面特性。反觀,GaAs不能產生一層穩定且附著在GaAs上的絕緣層。
  3. 大概也是最重要的優點,是矽(Si)擁有高很多的電洞移動率。在需要CMOS邏輯時,高的電洞率可以做成高速的P-通道場效應電晶體。如果需要快速的CMOS結構時,雖然GaAs的電子移動率快,但因為它的功率消耗高,所以使的GaAs電路無法被整合到Si邏輯電路中。

砷化鎵的異質結構[编辑]

因為GaAs和AlAs的晶格常數幾乎是一樣的,所以可以利用分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)或有機金屬氣相磊晶 (metal-organic vapour phase epitaxy,MOVPE,也稱做有機金屬化學氣相沉積法),在GaAs上輕易地形成異質的結構,如成長砷化鋁(AlAs)或砷化鋁鎵英语Aluminium gallium arsenide(AlxGa1-xAs)合金。且因為成長出來的層應力很小,所以幾乎可以成長任意的厚度。

GaAs的另一個很重要的應用是高效率的太陽電池。1970年時,Zhores Alferov和他的團隊在蘇聯做出第一個GaAs異質結構的太陽電池。[4][5][6] 用GaAs、GeInGaP英语Indium gallium phosphide三種材料做成的三接面太陽電池,有32%以上的效率,且可以操作在2,000 suns下的光。這種太陽電池曾運用在美國NASA探測火星表面的機器人:勇气号火星探测器(spirit rover)和机遇号(opportunity rover)。而且很多太陽電池都是用GaAs來做電池陣列的。

利用Bridgeman技術英语Bridgman–Stockbarger technique可以製造出GaAs的單晶,因為GaAs的力學特性,所以用柴可拉斯基法是很難運用在GaAs材料的。但是,曾經有人[谁?](uiuc某怪物)用柴可拉斯基法做出超高純度的GaAs當做半絕緣體

安全[编辑]

GaAs的毒性至今仍沒有被很完整的研究。因為它含有As,經研究指出,As是有的,As也是一種致癌物質。但,因為GaAs的晶體很穩定,所以如果身體吸收了少量的GaAs,其實是可以忽略的(指「短時間」,長時間仍有累積成生物毒性,得不定期體檢)。當要做晶圓抛光製程(磨GaAs晶圓使表面微粒變小)時,表面的區域會和水起反應,釋放或分解出少許的As。就環境、健康和安全等方面來看GaAs(就像是三甲基鎵英语trimethylgalliumAs)時,及有機金屬前驅物的工業衛生監控研究,都最近指出以上的觀點。[7]

相關資料[编辑]

相關材料[编辑]

參考文獻[编辑]

腳注
  1. ^ 例如,單晶微波積體電路英语Monolithic microwave integrated circuit(MMIC),運用其切換速度高之特性;植物進行光合作用,葉子其細胞開合作用,切換速度比常見半導體高
引用
  1. ^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398
  2. ^ 砷化鎵應用就在你身邊(2)─衛星通訊與光通訊,[2009-10-29],黃書瑋,DigiTimes電子時報,大椽股份有限公司
  3. ^ 顧客關係管理對顧客滿意度與忠誠度影響之研究-以台灣砷化鎵半導體磊晶廠為例中原大學/企業管理研究所/93/碩士研究生:莊玉玲。指導教授:廖本哲,NCL
  4. ^ Alferov, Zh. I., V. M. Andreev, M. B. Kagan, I. I. Protasov, and V. G. Trofim, 1970, ‘‘Solar-energy converters based on p-n AlxGa12xAs-GaAs heterojunctions,’’ Fiz. Tekh. Poluprovodn. 4, 2378 (Sov. Phys. Semicond. 4, 2047 (1971))]
  5. ^ Nanotechnology in energy applications, pdf, p.24
  6. ^ Nobel Lecture by Zhores Alferov, pdf, p.6
  7. ^ Shenai-Khatkhate, D. V.; Goyette, R. J.; Dicarlo Jr., R. L.; Dripps, G. Environment, health and safety issues for sources used in MOVPE growth of compound semiconductors. Journal of Crystal Growth. 2004, 272: 816. doi:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007.  编辑


外部連接[编辑]