砷化镓

砷化镓
	IUPAC名; Gallium arsenide
识别
CAS号	1303-00-0 ?
SMILES	[Ga]#[As];
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
熔点	1238 °C (1511 K)
溶解性（水）	< 0.1 g/100 ml (20 °C)
能隙	1.424 eV300 K
电子迁移率	8500 cm2/(V*s) (300 K)
热导率	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 T 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	1 3 2 W
	若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

砷化镓（化学式：GaAs）是镓和砷两种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，用来制作微波积体电路^[a]、红外线发光二极体、半导体激光器和太阳电池等元件。

GaAs化合物半导体特别适合应用于无线通信中的高频传输领域，现在越来越多被应用于射频前端器件，这是因为GaAs化合物半导体电子迁移率比传统的硅快，且具有抗干扰、低噪声与耐高电压、耐高温与高频使用等特性，在4G与5G时代有高度需求。^[2]

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，通常采用镓和砷直接化合的方法，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：trimethylgallium）和AsH₃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

应用[编辑]

砷化镓的优点[编辑]

电子物理特性
砷化镓拥有一些比矽还要好的电子特性，如较高的饱和电子速率（英语：Saturation velocity）及电子迁移率，使得砷化镓可以应用于高于250 GHz的场合。如果等效的砷化镓和Si元件同时都操作在高频时，砷化镓会拥有较少的杂讯。也因为砷化镓有较高的击穿电压，所以砷化镓比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性，砷化镓电路可以运用在行动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。砷化镓曾用来做成Gunn diode（中文翻做“甘恩二极体”或“微波二极体”，中国大陆地区叫做“耿氏二极管”）以发射微波。现今以矽为基材而制成的RF CMOS虽可达到高操作频率及高整合度，但其先天物理上缺点如击穿电压较低、基板于高频环境易损耗、讯号隔离度不佳、低输出功率密度等，使其在功率放大器及射频开关应用上始终难以跟砷化镓匹敌^[3]。
能隙
砷化镓的另一个优点是直接能隙（英语：Direct and indirect band gaps）的材料，所以可以应用在发光装置上。而矽是间接能隙（英语：Indirect bandgap）的材料，发出的光非常微弱。最近的技术已可用矽做成LED和运用在雷射领域，可是发光效率仍不甚理想。
切换速度
因为砷化镓的切换速度快，所以被认为是半导体的理想材料。1980年代时，大众普遍认为微电子市场的主力材料将从矽换成砷化镓，首先试著尝试切换材料的有超级电脑之供应商克雷公司、Convex电脑公司（英语：Convex Computer）及Alliant电脑系统公司（英语：Alliant Computer Systems），这些公司都试著要抢下CMOS微处理器技术的领导地位。Cray公司最后终于在1990年代早期建造了一台砷化镓为基础的机器，叫Cray-3（英语：Cray-3）。但这项成就还没有被充分地运用，公司就在1995年破产了，于1996年被硅谷图形公司收购；经种种难关，在2000年后原名复活。
抗天然辐射
砷化镓比矽更不会受到自然辐射的干扰，不易产生错误讯号^[4]。

矽的优点[编辑]

地球表面有大量可提炼出矽的原料－矽酸盐矿，所以与砷化镓相比，提炼成本较低。矽基材的制程在业界已进入量产期许久，制造成本低廉；且矽也有较好的物理应力，可制成大尺寸的晶圆，进一步降低生产成本。矽工业已发展到规模经济（透过高产能以降低单位成本）的阶段，更降低了业界使用砷化镓的诱因。
矽来源多且很容易转换成二氧化矽（在电子元件中是优良绝缘体），而二氧化矽可以轻易地被整合到矽电路中，且两者拥有很好的界面特性。反观，砷化镓很难产生一层稳定且坚固附著在砷化镓上的绝缘层。
矽拥有很高的电洞移动率，在需要CMOS逻辑时，高电洞率可以达成高速的P-通道场效应电晶体。如果需要快速的CMOS结构，虽然砷化镓的电子移动率快，但因为功率消耗高，所以砷化镓电路较难被整合到矽电路内。

砷化镓的异质结构[编辑]

因为砷化镓和砷化铝（AlAs）的晶格常数几乎一样，可以利用分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）或有机金属气相磊晶（metal-organic vapour phase epitaxy，MOVPE，也称做有机金属化学气相沉积法），在砷化镓上轻易地形成异质的结构，生长出砷化铝或砷化铝镓（英语：Aluminium gallium arsenide）（Al_xGa_1-xAs）合金；且因为生长出的合金层应力小，所以几乎可以任意调整生长厚度。

砷化镓的另一个重要应用是高效率的太阳电池。1970年时，Zhores Alferov和他的团队在苏联做出第一个砷化镓异质结构的太阳电池^[5]^[6]^[7]。用砷化镓、Ge和InGaP三种材料做成的三接面太阳电池有32%以上的效率，且可以操作在2,000 suns下的剧烈强光。这种太阳电池曾运用在美国NASA探测火星表面的机器人勇气号火星探测器（Spirit Rover）和机遇号（Opportunity Rover），且许多太空载具的太阳电池板阵列都是出于砷化镓。

利用布里奇曼-史托巴格法（Bridgman–Stockbarger technique）可以制造出砷化镓的单晶，因为砷化镓的力学特性，所以柴可拉斯基法（Czochralski process）很难运用在砷化镓材料的制作。

安全[编辑]

砷化镓的毒性至今仍没有被很完整的研究。因为它含有砷，经研究指出，砷是有毒的，也是一种致癌物质。但因为砷化镓的晶体很稳定，所以如果身体吸收了少量，其实是可以忽略的（指“短时间”，长时间仍有累积成生物毒性，需要不定期体检）。当要做晶圆抛光制程（晶圆使表面微粒变小）时，表面的区域会和水起反应，释放或分解出少许的砷。就环境、健康和安全等方面来看砷化镓（就像是三甲基镓（英语：trimethylgallium）和砷）时，及有机金属前驱物的工业卫生监控研究，都最近指出以上的观点。^[8]

参考文献[编辑]

脚注

^ 例如，单晶微波积体电路（英语：Monolithic microwave integrated circuit）（MMIC），运用其切换速度高之特性；植物进行光合作用，叶子其细胞开合作用，切换速度比常见半导体高

引用

^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398
^ GaAs射频器件市场 2020年进入新一波成长期 (PDF). 中国电子报 (总第4271期) (中国电子报社). 2019年7月16日星期二 [2020年7月2日]. （原始内容存档 (PDF)于2020年7月3日）. 请检查|date=中的日期值 (帮助)
^ 砷化镓应用就在你身边（2）─卫星通讯与光通讯（页面存档备份，存于互联网档案馆），[2009-10-29]，黄书玮，DigiTimes电子时报，大椽股份有限公司
^ 顾客关系管理对顾客满意度与忠诚度影响之研究－以台湾砷化镓半导体磊晶厂为例（页面存档备份，存于互联网档案馆）。中原大学／企业管理研究所／93／硕士研究生：庄玉玲。指导教授：廖本哲，NCL （页面存档备份，存于互联网档案馆）
^ 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))]
^ Nanotechnology in energy applications 互联网档案馆的存档，存档日期2009-02-25., pdf, p.24
^ Nobel Lecture （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Zhores Alferov, pdf, p.6
^ Shenai-Khatkhate, Deodatta V.; Goyette, Randall J.; DiCarlo Jr., Ronald L.; Dripps, Gregory. Environment, health and safety issues for sources used in MOVPE growth of compound semiconductors. Journal of Crystal Growth (Elsevier BV). 2004, 272 (1-4): 816–821. ISSN 0022-0248. doi:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007.

外部链接[编辑]

[MMIC-2] 例如，单晶微波积体电路（英语：Monolithic microwave integrated circuit）（MMIC），运用其切换速度高之特性；植物进行光合作用，叶子其细胞开合作用，切换速度比常见半导体高

[1] Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398

[3] GaAs射频器件市场 2020年进入新一波成长期 (PDF). 中国电子报 (总第4271期) (中国电子报社). 2019年7月16日星期二 [2020年7月2日]. （原始内容存档 (PDF)于2020年7月3日）. 请检查|date=中的日期值 (帮助)

[4] 砷化镓应用就在你身边（2）─卫星通讯与光通讯（页面存档备份，存于互联网档案馆），[2009-10-29]，黄书玮，DigiTimes电子时报，大椽股份有限公司

[5] 顾客关系管理对顾客满意度与忠诚度影响之研究－以台湾砷化镓半导体磊晶厂为例（页面存档备份，存于互联网档案馆）。中原大学／企业管理研究所／93／硕士研究生：庄玉玲。指导教授：廖本哲，NCL （页面存档备份，存于互联网档案馆）

[6] 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))]

[7] Nanotechnology in energy applications 互联网档案馆的存档，存档日期2009-02-25., pdf, p.24

[8] Nobel Lecture （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Zhores Alferov, pdf, p.6

[Shenai-Khatkhate_Goyette_DiCarlo_Jr._Dripps_2004_pp._816–821-9] Shenai-Khatkhate, Deodatta V.; Goyette, Randall J.; DiCarlo Jr., Ronald L.; Dripps, Gregory. Environment, health and safety issues for sources used in MOVPE growth of compound semiconductors. Journal of Crystal Growth (Elsevier BV). 2004, 272 (1-4): 816–821. ISSN 0022-0248. doi:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007.

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