RSS订阅砷化镓
贡献者：单片机之父 浏览：9880次 创建时间：2009-06-25
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砷化镓（英文名称为Gallium arsenide，化学式为GaAs）是镓和砷两种元素所合成的化合物。也是很重要的半导体材料，被用来制作像微波集成电路（例如单晶微波集成电路( MMIC)）、红外线发光二极管、雷射二极管和太阳电池等元件。
·砷化镓的优点 Top
GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，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有较高的崩溃电压，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。
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和运用在雷射。)
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Cray电脑公司、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 Top
Si比GaAs好，有三个主要理由。第一，Si制程是大量生产且便宜的制程。且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，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Si电路中，且二氧化硅和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Si的优点，是Si拥有高很多的电洞移动率。在需要CMOS逻辑时，高的电洞率可以做成高速的P-通道场效应晶体管。如果需要快速的CMOS结构时，虽然GaAs的电子移动率快，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 Top
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磊晶（molecular beam epitaxy, MBE）或有机金属气相磊晶 （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。 [2][3][4] 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 Top
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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参考资料
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