砷化鎵
砷化鎵(化學式:GaAs)是鎵和砷兩種元素所合成的化合物,也是重要的IIIA族、VA族化合物半導體材料,用來製作微波集成電路[a]、紅外線發光二極體、半導體激光器和太陽電池等元件。
砷化鎵 | |
---|---|
![]() | |
![]() | |
IUPAC名 Gallium arsenide | |
識別 | |
CAS編號 | 1303-00-0 ? |
SMILES |
|
性質 | |
化學式 | GaAs |
摩爾質量 | 144.645 g·mol⁻¹ |
外觀 | 灰色立方晶體 |
密度 | 5.316 g/cm3[1] |
熔點 | 1238 °C (1511 K) |
溶解性(水) | < 0.1 g/100 ml (20 °C) |
能隙 | 1.424 eV300 K |
電子移動率 | 8500 cm2/(V*s) (300 K) |
熱導率 | 0.55 W/(cm*K) (300 K) |
折光度n D |
3.3 |
結構 | |
晶體結構 | 閃鋅礦結構 |
空間群 | T2d-F-43m |
配位幾何 | 四面體 |
分子構型 | 直線形 |
危險性 | |
歐盟危險性符號 | |
警示術語 | R:R23/25-R50/53 |
安全術語 | S:S1/2-S20/21-S28-S45-S60-S61 |
MSDS | MSDS |
NFPA 704 | |
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。 |
GaAs化合物半導體特別適合應用於無線通信中的高頻傳輸領域,現在越來越多被應用於射頻前端元件,這是因為GaAs化合物半導體電子移動率比傳統的矽快,且具有抗干擾、低雜訊與耐高電壓、耐高溫與高頻使用等特性,在4G與5G時代有高度需求。[2]
性質
編輯砷化鎵是重要的化合物半導體材料,外觀呈亮灰色,具金屬光澤、性脆而硬。常溫下比較穩定。加熱到873K時,外表開始生成氧化物形成氧化膜包腹。常溫下,砷化鎵不與鹽酸、硫酸、氫氟酸等反應,但能與濃硝酸反應,也能與熱的鹽酸和硫酸作用。
製備
編輯砷化鎵天然存量稀少,通常採用鎵和砷直接化合的方法,其中水平區域熔煉法是普遍採用的方法。通過區域提純便可獲得單晶。 採用間接的方法也可獲得砷化鎵。如一氯化鎵用砷蒸氣還原來製備砷化鎵;Ga(CH3)3和AsH3在一定溫度下,發生熱分解得到砷化鎵。
- 4GaCl + 2H2 + As4 → 4GaAs + 4HCl
- Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4
應用
編輯砷化鎵的優點
編輯- 電子物理特性
- 砷化鎵擁有一些比矽還要好的電子特性,如較高的飽和電子速率及電子移動率,使得砷化鎵可以應用於高於250 GHz的場合。如果等效的砷化鎵和Si元件同時都操作在高頻時,砷化鎵會擁有較少的雜訊。也因為砷化鎵有較高的崩潰電壓,所以砷化鎵比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性,砷化鎵電路可以運用在流動電話、衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。砷化鎵曾用來做成Gunn diode(中文翻做「甘恩二極體」或「微波二極體」,中國大陸地區叫做「耿氏二極體」)以發射微波。現今以矽為基材而製成的RFCMOS雖可達到高操作頻率及高整合度,但其先天物理上缺點如崩潰電壓較低、基板於高頻環境易損耗、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[3]。
- 能隙
- 切換速度
- 因為砷化鎵的切換速度快,所以被認為是半導體的理想材料。1980年代時,大眾普遍認為微電子市場的主力材料將從矽換成砷化鎵,首先試着嘗試切換材料的有超級電腦之供應商克雷公司、Convex電腦公司及Alliant電腦系統公司,這些公司都試着要搶下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砷化鎵為基礎的機器,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,於1996年被矽谷圖形公司收購;經種種難關,在2000年後原名復活。
- 抗天然輻射
矽的優點
編輯- 地球表面有大量可提煉出矽的原料-矽酸鹽礦,所以與砷化鎵相比,提煉成本較低。矽基材的製程在業界已進入量產期許久,製造成本低廉;且矽也有較好的物理應力,可製成大尺寸的晶圓,進一步降低生產成本。矽工業已發展到規模經濟(透過高產能以降低單位成本)的階段,更降低了業界使用砷化鎵的誘因。
- 矽來源多且很容易轉換成二氧化矽(在電子元件中是優良絕緣體),而二氧化矽可以輕易地被整合到矽電路中,且兩者擁有很好的界面特性。反觀,砷化鎵很難產生一層穩定且堅固附着在砷化鎵上的絕緣層。
- 矽擁有很高的電洞移動率,在需要CMOS邏輯時,高電洞率可以達成高速的P-通道場效應電晶體。如果需要快速的CMOS結構,雖然砷化鎵的電子移動率快,但因為功率消耗高,所以砷化鎵電路較難被整合到矽電路內。
砷化鎵的異質結構
編輯因為砷化鎵和砷化鋁(AlAs)的晶格常數幾乎一樣,可以利用分子束磊晶(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),在砷化鎵上輕易地形成異質的結構,生長出砷化鋁或砷化鋁鎵(AlxGa1-xAs)合金;且因為生長出的合金層應力小,所以幾乎可以任意調整生長厚度。
砷化鎵的另一個重要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砷化鎵異質結構的太陽電池[5][6][7]。用砷化鎵、Ge和InGaP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下的劇烈強光。這種太陽電池曾運用在美國NASA探測火星表面的機械人精神號漫遊者(Spirit Rover)和機會號漫遊者(Opportunity Rover),且許多太空載具的太陽電池板陣列都是出於砷化鎵。
利用布里奇曼-史托巴格法(Bridgman–Stockbarger technique)可以製造出砷化鎵的單晶,因為砷化鎵的力學特性,所以柴可拉斯基法(Czochralski process)很難運用在砷化鎵材料的製作。
安全
編輯砷化鎵的毒性至今仍沒有被很完整的研究。因為它含有砷,經研究指出,砷是有毒的,也是一種致癌物質。但因為砷化鎵的晶體很穩定,所以如果身體吸收了少量,其實是可以忽略的(指「短時間」,長時間仍有累積成生物毒性,需要不定期體檢)。當要做晶圓拋光製程(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砷。就環境、健康和安全等方面來看砷化鎵(就像是三甲基鎵和砷)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。[8]
相關
編輯- 相關技術
- 相關材料
- 騙局
參考文獻
編輯- 腳注
- 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). 中國電子報 (總第4271期) (中國電子報社). 2019年7月16日 星期二 [2020年7月2日]. (原始內容存檔 (PDF)於2020年7月3日).
- ^ 砷化鎵應用就在你身邊(2)─衛星通訊與光通訊 (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館),[2009-10-29],黃書瑋,DigiTimes電子時報,大椽股份有限公司
- ^ 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 (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)。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 (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- ^ 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 互聯網檔案館的存檔,存檔日期2009-02-25., pdf, p.24
- ^ Nobel Lecture (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) 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.
外部連結
編輯- Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)
- Facts and figures on processing Gallium Arsenide
- Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館)