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族化合物半导体材料,用來製作微波積體電路[lower-alpha 1]、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 | |
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IUPAC名 Gallium arsenide | |
识别 | |
CAS号 | 1303-00-0 ? |
SMILES |
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性质 | |
化学式 | GaAs |
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 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
|
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。如一氯化镓用砷蒸气还原来制备砷化镓;Ga(CH3)3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,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
- 抗天然輻射
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(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探測火星表面的機器人(Spirit Rover)和(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()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()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
- 腳注
- 例如,單晶微波積體電路(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
- Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398
- (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).
- 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),[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 (页面存档备份,存于)。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)
- 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 的存檔,存档日期2009-02-25., pdf, p.24
- Nobel Lecture (页面存档备份,存于) by Zhores Alferov, pdf, p.6
- Shenai-Khatkhate, Deodatta V.; Goyette, Randall J.; DiCarlo Jr., Ronald L.; Dripps, Gregory. . 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
- Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity (页面存档备份,存于)
- Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide (页面存档备份,存于)
- Facts and figures on processing Gallium Arsenide
- Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices (页面存档备份,存于)