砷化镓
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。
砷化镓 | |
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IUPAC名 Gallium arsenide | |
识别 | |
CAS号 | 1303-00-0 ? |
SMILES |
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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 | |
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 | |
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
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。如一氯化镓用砷蒸气还原来制备砷化镓;Ga(CH3)3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、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
- 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电脑公司及Alliant电脑系统公司,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。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
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(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
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
编辑- 相关技术
- 相关材料
- 骗局
参考文献
编辑- 脚注
- 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).
- ^ 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- Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- Facts and figures on processing Gallium Arsenide
- Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices (页面存档备份,存于互联网档案馆)