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砷化鎵

化合物

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族化合物半导体材料，用來製作微波積體電路[a]、紅外線發光二極體、半导体激光器和太陽電池等元件。

砷化鎵
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)
熱導率 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

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

應用

砷化鎵的優點

  • 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（英语：Saturation velocity）及电子迁移率，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击穿电压，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行動電話、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」，中国大陆地区叫做「耿氏二极管」）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击穿电压較低、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
    砷化鎵的另一個優點是直接能隙（英语：Direct and indirect band gaps）的材料，所以可以應用在發光裝置上。而矽是間接能隙（英语：Indirect bandgap）的材料，發出的光非常微弱。最近的技術已可用矽做成LED和運用在雷射領域，可是發光效率仍不甚理想。
  • 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，首先試著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（英语：Convex Computer）及Alliant電腦系統公司（英语：Alliant Computer Systems），這些公司都試著要搶下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（英语：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年被硅谷图形公司收購；經種種難關，在2000年後原名復活。
  • 抗天然輻射
    砷化鎵比矽更不會受到自然輻射的干擾，不易產生錯誤訊號[4]。

矽的優點

  • 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著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

因為砷化鎵和砷化鋁（AlAs）的晶格常數幾乎一樣，可以利用分子束外延（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（英语：Aluminium gallium arsenide）（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探測火星表面的機器人勇气号火星探测器（Spirit Rover）和机遇号（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

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）。當要做晶圓抛光製程（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（英语：trimethylgallium）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

相關技術
相關材料
騙局

參考文獻

腳注
  1. ^ 例如，單晶微波積體電路（英语：Monolithic microwave integrated circuit）（MMIC），運用其切換速度高之特性；植物進行光合作用，葉子其細胞開合作用，切換速度比常見半導體高
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. ^ 砷化鎵應用就在你身邊（2）─衛星通訊與光通訊 （页面存档备份，存于互联网档案馆），[2009-10-29]，黃書瑋，DigiTimes電子時報，大椽股份有限公司
  4. ^ 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 （页面存档备份，存于互联网档案馆）。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 （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 互联网档案馆的存檔，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. 


外部連結


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