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砷化镓

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砷化镓
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)
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,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

砷化镓化学式GaAs)是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镭射器太阳电池等元件。

性质

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

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

应用

砷化镓的优点

  • 电子物理特性
    砷化镓拥有一些比还要好的电子特性,如较高的饱和电子速率英语Saturation velocity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[2]
  • 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和运用在镭射领域,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 ComputerAlliant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。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[3]

硅的优点

  • 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(在电子元件中是优良绝缘体),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

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[4][5][6]。用砷化镓、GeInGaP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

砷化镓的毒性至今仍没有被很完整的研究。因为它含有,经研究指出,砷是有的,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,得不定期体检)。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。[7]

参考文献

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. ^ 砷化镓应用就在你身边(2)─卫星通讯与光通讯,[2009-10-29],黄书玮,DigiTimes电子时报,大椽股份有限公司
  3. ^ 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[永久失效链接]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
  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 互联网档案馆存档,存档日期2009-02-25., pdf, p.24
  6. ^ Nobel Lecture by Zhores Alferov, pdf, p.6
  7. ^ 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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外部链接

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