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砷化镓

化合物

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，用来制作微波集成电路[a]、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等器件。

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[1]
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
1
3
2
W
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

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

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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

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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

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砷化镓的优点

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  • 电子物理特性
    砷化镓拥有一些比硅还要好的电子特性，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器件同时都操作在高频时，砷化镓会拥有较少的噪声。也因为砷化镓有较高的击穿电压，所以砷化镓比同样的Si器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移动电话、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“甘恩二极管”或“微波二极管”，中国大陆地区叫做“耿氏二极管”）以发射微波。现今以硅为基材而制成的RFCMOS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、衬底于高频环境易损耗、信号隔离度不佳、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。而硅是间接能隙（英语：Indirect bandgap）的材料，发出的光非常微弱。最近的技术已可用硅做成LED和运用在激光领域，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硅换成砷化镓，首先试着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），这些公司都试着要抢下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
    砷化镓比硅更不会受到自然辐射的干扰，不易产生错误信号[4]。

硅的优点

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  • 地球表面有大量可提炼出硅的原料－硅酸盐矿，所以与砷化镓相比，提炼成本较低。硅基材的工艺在业界已进入量产期许久，制造成本低廉；且硅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。硅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。
  • 硅来源多且很容易转换成二氧化硅（在电子器件中是优良绝缘体），而二氧化硅可以轻易地被整合到硅电路中，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着在砷化镓上的绝缘层。
  • 硅拥有很高的空穴移动率，在需要CMOS逻辑时，高空穴率可以达成高速的P-沟道场效应晶体管。如果需要快速的CMOS结构，虽然砷化镓的电子迁移率快，但因为功率消耗高，所以砷化镓电路较难被整合到硅电路内。

砷化镓的异质结构

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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）或有机金属气相外延 （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）（AlxGa1-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

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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）。当要做晶圆抛光工艺（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]

相关

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相关技术
相关材料
骗局

参考文献

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脚注
  1. ^ 例如，单晶微波集成电路（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
  1. ^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398
  2. ^ 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）. 
  3. ^ 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
  4. ^ 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外延厂为例 （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）
  5. ^ 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))]
  6. ^ Nanotechnology in energy applications 互联网档案馆的存档，存档日期2009-02-25., pdf, p.24
  7. ^ Nobel Lecture （页面存档备份，存于互联网档案馆） by Zhores Alferov, pdf, p.6
  8. ^ 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

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