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砷化鎵

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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
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	T²_d-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，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

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、紅外線發光二極體、半导体激光器和太陽電池等元件。

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。

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RF CMOS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。
能隙
砷化鎵的另一個優點是直接能隙的材料，所以可以應用在發光裝置上。而矽是間接能隙的材料，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電腦公司及Alliant電腦系統公司，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。

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（Al_xGa_1-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。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。