砷化鎵

砷化鎵
	IUPAC名; Gallium arsenide
識別
CAS編號	1303-00-0 ?
SMILES	[Ga]#[As];
性質
化學式	GaAs
摩爾質量	144.645 g·mol⁻¹
外觀	灰色立方晶體
密度	5.316 g/cm3
熔點	1238 °C (1511 K)
溶解性（水）	< 0.1 g/100 ml (20 °C)
能隙	1.424 eV300 K
電子移動率	8500 cm2/(V*s) (300 K)
熱導率	0.55 W/(cm*K) (300 K)
折光度n; D	3.3
結構
晶體結構	閃鋅礦結構
空間群	T2d-F-43m
配位幾何	四面體
分子構型	直線形
危險性
	歐盟危險性符號; 有毒 T 危害環境N
警示術語	R：R23/25-R50/53
安全術語	S：S1/2-S20/21-S28-S45-S60-S61
MSDS	MSDS
NFPA 704	1 3 2 W
	若非註明，所有數據均出自標準狀態（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族化合物半導體材料，用來製作微波集成電路^[a]、紅外線發光二極體、半導體激光器和太陽電池等元件。

GaAs化合物半導體特別適合應用於無線通信中的高頻傳輸領域，現在越來越多被應用於射頻前端元件，這是因為GaAs化合物半導體電子移動率比傳統的矽快，且具有抗干擾、低雜訊與耐高電壓、耐高溫與高頻使用等特性，在4G與5G時代有高度需求。^[2]

性質

砷化鎵是重要的化合物半導體材料，外觀呈亮灰色，具金屬光澤、性脆而硬。常溫下比較穩定。加熱到873K時，外表開始生成氧化物形成氧化膜包腹。常溫下，砷化鎵不與鹽酸、硫酸、氫氟酸等反應，但能與濃硝酸反應，也能與熱的鹽酸和硫酸作用。

製備

砷化鎵天然存量稀少，通常採用鎵和砷直接化合的方法，其中水平區域熔煉法是普遍採用的方法。通過區域提純便可獲得單晶。採用間接的方法也可獲得砷化鎵。如一氯化鎵（英語：Gallium chloride）用砷蒸氣還原來製備砷化鎵；Ga(CH₃)₃（英語：trimethylgallium）和AsH₃在一定溫度下，發生熱分解得到砷化鎵。

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（英語：Saturation velocity）及電子移動率，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崩潰電壓，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流動電話、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」，中國大陸地區叫做「耿氏二極體」）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崩潰電壓較低、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
砷化鎵的另一個優點是直接能隙（英語：Direct and indirect band gaps）的材料，所以可以應用在發光裝置上。而矽是間接能隙（英語：Indirect bandgap）的材料，發出的光非常微弱。最近的技術已可用矽做成LED和運用在激光領域，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，首先試着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（英語：Convex Computer）及Alliant電腦系統公司（英語：Alliant Computer Systems），這些公司都試着要搶下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（英語：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年被矽谷圖形公司收購；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^[4]。

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着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，可以利用分子束磊晶（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（英語：Aluminium gallium arsenide）（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^[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探測火星表面的機械人精神號漫遊者（Spirit Rover）和機會號漫遊者（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）。當要做晶圓拋光製程（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（英語：trimethylgallium）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，單晶微波集成電路（英語：Monolithic microwave integrated circuit）（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
^ GaAs射频器件市场 2020年进入新一波成长期 (PDF). 中國電子報 (總第4271期) (中國電子報社). 2019年7月16日星期二 [2020年7月2日]. （原始內容存檔 (PDF)於2020年7月3日）. 請檢查|date=中的日期值 (幫助)
^ 砷化鎵應用就在你身邊（2）─衛星通訊與光通訊（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），[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（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
^ 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 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2009-02-25., pdf, p.24
^ Nobel Lecture （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） by Zhores Alferov, pdf, p.6
^ 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.

外部連結

[MMIC-2] 例如，單晶微波集成電路（英語：Monolithic microwave integrated circuit）（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

[1] Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398

[3] GaAs射频器件市场 2020年进入新一波成长期 (PDF). 中國電子報 (總第4271期) (中國電子報社). 2019年7月16日星期二 [2020年7月2日]. （原始內容存檔 (PDF)於2020年7月3日）. 請檢查|date=中的日期值 (幫助)

[4] 砷化鎵應用就在你身邊（2）─衛星通訊與光通訊（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館），[2009-10-29]，黃書瑋，DigiTimes電子時報，大椽股份有限公司

[5] 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（頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）。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 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）

[6] 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))]

[7] Nanotechnology in energy applications 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2009-02-25., pdf, p.24

[8] Nobel Lecture （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） by Zhores Alferov, pdf, p.6

[Shenai-Khatkhate_Goyette_DiCarlo_Jr._Dripps_2004_pp._816–821-9] 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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[a]

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[4]

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[6]

[7]

[8]

性質

製備

應用

砷化鎵的優點

矽的優點

砷化鎵的異質結構

安全

相關

參考文獻

外部連結