砷化鎵

一種重要的半導體材料

砷化鎵（gallium arsenide），化學式 GaAs。黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩定存在，並且不被非氧化性的酸侵蝕。

砷化鎵是一種重要的半導體材料。屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體。屬閃鋅礦型晶格結構，晶格常數5.65×10-10m，熔點1237℃，禁帶寬度1.4電子伏。砷化鎵於1964年進入實用階段。砷化鎵可以製成電阻率比硅、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料，用來製作集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。由於其電子遷移率比硅大5～6倍，故在製作微波器件和高速數字電路方面得到重要應用。用砷化鎵製成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、雜訊小、抗輻射能力強等優點。此外，還可以用於製作轉移器件──體效應器件。砷化鎵是半導體材料中，兼具多方面優點的材料，但用它製作的晶體三極體的放大倍數小，導熱性差，不適宜製作大功率器件。雖然砷化鎵具有優越的性能，但由於它在高溫下分解，故要生產理想化學配比的高純的單晶材料，技術上要求比較高。

1安全信息 2主要特性 3材料優點

4技術工藝 5發展前景 6安全性

安全信息

符號：GHS08

信號詞：危險

危害聲明：H350; H372

警示性聲明：P201; P308 + P313

包裝等級：II

危險類別：6.1

海關編碼：2853009022

危險品運輸編碼：UN 1557 6.1/PG 2

WGK Germany：3

危險類別碼：R23/25

安全說明：S20/21; S28; S45; S60; S61

RTECS號：LW8800000

危險品標誌：T; N

主要特性

規格	砷化鎵
傳輸範圍(微米)	1.0-22
折射指數 10微米	3.277
折射指數的溫度係數 10.6微米，	149 x 10/度
體積吸收係數 10微米/厘米	<0.01
熔點，攝氏度	1238
硬度(努普)千克/平方毫米	750
密度，克/立方厘米	5.37
斷裂模數，兆帕	13.8
楊式彈性模數，千兆帕	8.3
斷裂韌度兆帕/米	0.31

材料優點

GaAs擁有一些較Si還要好的電子特性，使得GaAs可以用在高於250 GHz的場合。如果等效的GaAs和Si元件同時都操作在高頻時，GaAs會產生較少的噪音。也因為GaAs有較高的崩潰壓，所以GaAs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，GaAs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。GaAs曾用來做成甘恩二極體、微波二極體和耿氏二極體)以發射微波。

GaAs的的另一個優點：它是直接能隙的材料，所以可以用來發光。而Si是間接能隙的材料，只能發射非常微弱的光。(但是，最近的技術已經可以用Si做成LED和運用在鐳射。)

技術工藝

中國掌握“半導體貴族”砷化鎵單晶生產技術

作為第二代半導體，砷化鎵單晶因其價格昂貴而素有“半導體貴族”之稱。2001年7月31日，中國科學家宣布已掌握一種生產這種材料的新技術，使中國成為繼日本、德國之後掌握這一技術的又一國家。北京有色金屬研究總院宣布，國內成功拉制出了第一根直徑4英寸的VCZ半絕緣砷化鎵單晶。

據專家介紹，砷化鎵可在一塊晶元上同時處理光電數據，因而被廣泛應用於遙控、手機、DVD計算機外設、照明等諸多光電子領域。另外，因其電子遷移率比硅高6倍，砷化鎵成為超高速、超高頻器件和集成電路的必需品。它還被廣泛使用于軍事領域，是激光制導導彈的重要材料，曾在海灣戰爭中大顯神威，贏得“砷化鎵打敗鋼鐵”的美名。據悉，砷化鎵單晶片的價格大約相當於同尺寸硅單晶片的20至30倍。儘管價格不菲，目前國際上砷化鎵半導體的年銷售額仍在10億美元以上。在“十五”計劃中，我國將實現該產品的產業化，以佔據國際市場。

主流的工業化砷化鎵生長工藝包括：直拉法（Cz法）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB法）以及垂直梯度凝固法（VGF法）等。以上方法各有優劣，除了實際工藝製備的方法，另外一種就是通過計算機來實現砷化鎵的晶體生長數值模擬，如利用FEMAG/VB能模擬VB、VGF法生長工藝，利用FEMAG/Cz能模擬CZ法生長工藝；國內北京有色金屬研究總院在晶體生長過程中的微缺陷、以及熔體和氣流流動對晶體生長過程的影響作出了有效的計算模擬，對晶體生長的製備起到了技術指導的作用。

發展前景

2010年5月，新一期英國《自然》雜誌報告說，美國研究人員研發出一種可批量生產砷化鎵晶片的技術，克服了成本上的瓶頸，從而使砷化鎵這種感光性能比硅更優良的材料有望大規模用於半導體和太陽能相關產業。

美國伊利諾伊大學等機構研究人員報告說，他們開發出的新技術可以生成由砷化鎵和砷化鋁交疊的多層晶體，然後利用化學物質使砷化鎵層分離出來，可同時生成多層砷化鎵晶片，大大降低了成本。這些砷化鎵晶片可以像“蓋章”那樣安裝到玻璃或塑料等材料表面，然後可使用已有技術進行蝕刻，根據需要製造半導體電路或太陽能電池板。

不過，該技術目前還只能用於批量生產較小的砷化鎵晶片，如邊長500微米的太陽能電池單元。下一步研究將致力於利用新技術批量生產更大的砷化鎵晶片。

安全性

GaAs的毒性至今仍沒有被很完整的研究。因為它含有As，經研究指出，As是劇毒的。但是，因為GaAs的晶體很穩定，所以如果身體吸收了少量的GaAs，其實是可以忽略的。當要做晶圓拋光製程（磨GaAs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As。就環境、健康和安全等方面來看GaAs時，及金屬有機化合物前驅物的工業衛生監控研究，都最近指出以上的觀點。

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