砷化鎵

砷化鎵化學式GaAs)是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太陽電池等元件。

砷化鎵
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)
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
NFPA 704.svg
1
3
2
W
若非注明,所有数据均出自一般条件(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

應用编辑

砷化鎵的優點编辑

  • 電子物理特性
    砷化鎵擁有一些比還要好的電子特性,如較高的飽和電子速率英语Saturation velocity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 ComputerAlliant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。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]

矽的優點编辑

  • 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。

砷化鎵的異質結構编辑

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、GeInGaP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。

安全编辑

砷化鎵的毒性至今仍沒有被很完整的研究。因為它含有,經研究指出,砷是有的,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,得不定期體檢)。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]

參考文獻编辑

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. 
  3. ^ 砷化鎵應用就在你身邊(2)─衛星通訊與光通訊,[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[永久失效連結]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
  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 互联网档案馆存檔,存档日期2009-02-25., pdf, p.24
  7. ^ Nobel Lecture 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. 


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騙局

外部連結编辑