砷化镓

2018-02-28 13:48:05

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/cm31
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
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。

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,用来制作微波集成电路a、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等元件。

目录

  • 1 性质
  • 2 制备
  • 3 应用
    • 3.1 砷化镓的优点
    • 3.2 硅的优点
    • 3.3 砷化镓的异质结构
  • 4 安全
  • 5 参考文献
  • 6 相关
  • 7 外部链接

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

应用

砷化镓的优点

1.电子物理特性
砷化镓(GaAs)拥有一些比硅(Si)还要好的电子特性,如高的饱和电子速率英语Saturation velocity及高的电子迁移率,使得GaAs可以用在高于250 GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时,GaAs会拥有较少的噪声。也因为GaAs有较高的击穿电压,所以GaAs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,GaAs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。GaAs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低击穿电压、硅衬底高频损耗、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
2.能隙
GaAs的的另一个优点:它是直接能隙英语Direct and indirect band gaps的材料,所以可以用来发光。而Si是间接能隙英语Indirect bandgap的材料,只能发射非常微弱的光。(但是,最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在激光,发光效率仍不甚理想。)
3.切换速度
因为GaAs的切换速度很快,所以GaAs被认为是电脑应用的理想材料。1980年代时,大家都认为微电子市场的主力将从Si换成GaAs。首先试着要去改变的有超级电脑的供应商克雷公司、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GaAs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,1996年为硅谷图形公司收购,经种种难关,2000年后原名复活。
4.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

硅(Si)比GaAs好,有三个主要理由。

  1. 硅(Si)工艺是大量生产且便宜的工艺。且硅(Si)有较好的物理应力,所以可做成大尺寸的晶圆(现今,Si晶圆直径约为300 mm,而GaAs晶圆最大直径约只有150 mm)。在地球表面上有大量硅(Si)的原料:硅酸盐矿。硅工业已发展到规模经济(透过高的产能以降低单位产品的成本)的情形了,更降低了工业界使用GaAs的意愿。
  2. 硅(Si)来源多且很容易就会变成二氧化硅(在电子元件中,这是一种很好的绝缘体)。二氧化硅可以轻易地被整合到硅(Si)电路中,且二氧化硅和硅(Si)拥有很好的界面特性。反观,GaAs不能产生一层稳定且附着在GaAs上的绝缘层。
  3. 大概也是最重要的优点,是硅(Si)拥有高很多的空穴移动率。在需要CMOS逻辑时,高的空穴率可以做成高速的P-沟道场效应晶体管。如果需要快速的CMOS结构时,虽然GaAs的电子迁移率快,但因为它的功率消耗高,所以使的GaAs电路无法被整合到Si逻辑电路中。

砷化镓的异质结构

因为GaAs和AlAs的晶格常数几乎是一样的,所以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GaAs上轻易地形成异质的结构,如成长砷化铝(AlAs)或砷化铝镓英语Aluminium gallium arsenide(AlxGa1-xAs)合金。且因为成长出来的层应力很小,所以几乎可以成长任意的厚度。

GaAs的另一个很重要的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GaAs异质结构的太阳电池。456 用GaAs、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)。而且很多太阳电池都是用GaAs来做电池阵列的。

利用Bridgeman技术英语Bridgman–Stockbarger technique可以制造出GaAs的单晶,因为GaAs的力学特性,所以用柴可拉斯基法是很难运用在GaAs材料的。

安全

GaAs的毒性至今仍没有被很完整的研究。因为它含有As,经研究指出,As是有毒的,As也是一种致癌物质。但,因为GaAs的晶体很稳定,所以如果身体吸收了少量的GaAs,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(磨GaAs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As。就环境、健康和安全等方面来看GaAs(就像是三甲基镓英语trimethylgallium和As)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。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 互联网档案馆的存档,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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骗局
  • 博达科技掏空案

外部链接

  • Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity
  • Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide
  • Facts and figures on processing Gallium Arsenide
  • Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices


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