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。
| 砷化鎵 | |
|---|---|
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| IUPAC名 Gallium arsenide | |
| 識別 | |
| CAS編號 | 1303-00-0 ? |
| SMILES |
|
| 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[1] |
| 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
|
| 若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。 | |
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。如一氯化鎵用砷蒸氣還原來製備砷化鎵；Ga(CH3)3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
- 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
- 切換速度
- 抗天然輻射
- 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。
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（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]
相關
- 相關技術
- 相關材料
- 騙局
參考文獻
外部連結
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