发光二极管材料-砷化镓

石鑫华机器视觉网：砷化镓（化学式：GaAs）是镓和砷两种元素所合成的化合物，也是重要的化合物半导体材料，用来制作微波集成电路（例如单晶微波集成电路（MMIC））、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等元件。

性质

砷化镓是最重要的半导体材料，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，开始生成氧化膜。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。如一氯化镓用砷蒸汽还原来制备砷化镓；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

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。

2.能隙

GaAs的的另一个优点：它是直接能隙的材料，所以可以用来发光。而Si是间接能隙的材料，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，Alliant电脑系统公司，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。

硅的优点

硅（Si）比GaAs好，有三个主要理由。

第一，硅（Si）制程是大量生产且便宜的制程。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。

第二个主要的优点是，硅（Si）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。

第三，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（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。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探测火星表面的机器人：精神号漫游者 (spirit rover) 和机会号漫游者 (opportunity rover)。而且很多太阳电池都是用GaAs来做电池阵列的。

利用Bridgeman技术可以制造出GaAs的单晶，因为GaAs的力学特性，所以用Czochralski法是很难运用在GaAs材料的。但，曾经有人有Czochralski法做出超高纯度的GaAs当做半绝缘体。

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。当要做晶圆抛光制程（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 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。

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