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Gallium arsenide
贡献者：葱爆羊肉 浏览：4055次 创建时间：2009-06-29
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砷化鎵（英文名稱為Gallium arsenide，化學式為GaAs）是鎵和砷兩種元素所合成的化合物。也是很重要的半導體材料，被用來製作像微波積體電路（例如單晶微波積體電路( MMIC)）、紅外線發光二極體、雷射二極體和太陽電池等元件。
應用
·砷化鎵的優點 Top
GaAs擁有一些比Si還要好的電子特性，如高的飽和電子速率及高的電子移動率，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會擁有較少的雜訊。也因為GaAs有較高的崩潰電壓，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。
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和運用在雷射。)
因為GaAs的切換速度很快，所以GaAs被認為是電腦應用的理想材料。1980年代時，大家都認為微電子市場的主力將從Si換成GaAs。首先試著要去改變的有超級電腦的供應商Cray電腦公司、Convex電腦公司，Alliant電腦系統公司，這些公司都試著要搶下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GaAs為基礎的機器，叫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。
·矽的優點 Top
Si比GaAs好，有三個主要理由。第一，Si製程是大量生產且便宜的製程。且Si有較好的物理應力，所以可做成大尺寸的晶圓（現今，Si晶圓直徑約為300 mm，而GaAs晶圓最大直徑約只有150 mm）。在地球表面上有大量Si的原料：矽酸鹽礦。矽工業已發展到規模經濟（透過高的產能以降低單位產品的成本）的情形了，更降低了工業界使用GaAs的意願。
第二個主要的優點是，Si很容易就會變成二氧化矽（在電子元件中，這是一種很好的絕緣體）。二氧化矽可以輕易地被整合到Si電路中，且二氧化矽和Si擁有很好的界面特性。反觀，GaAs不能產生一層穩定且附著在GaAs上的絕緣層。
第三，大概也是最重要的Si的優點，是Si擁有高很多的電洞移動率。在需要CMOS邏輯時，高的電洞率可以做成高速的P-通道場效應電晶體。如果需要快速的CMOS結構時，雖然GaAs的電子移動率快，但因為它的功率消耗高，所以使的GaAs電路無法被整合到Si邏輯電路中。
·砷化鎵的異質結構 Top
因為GaAs和AlAs的晶格常數幾乎是一樣的，所以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GaAs上輕易地形成異質的結構，如成長砷化鋁（AlAs）或砷化鋁鎵（AlxGa1-xAs）合金。且因為成長出來的層應力很小，所以幾乎可以成長任意的厚度。
GaAs的另一個很重要的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GaAs異質結構的太陽電池。 [2][3][4] 用GaAs、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下的光。這種太陽電池曾運用在探測火星表面的機器人：精神號漫遊者 (spirit rover) 和機會號漫遊者 (opportunity rover)。而且很多太陽電池都是用GaAs來做電池陣列的。
利用Bridgeman技術可以製造出GaAs的單晶，因為GaAs的力學特性，所以用Czochralski法是很難運用在GaAs材料的。但，曾經有人有Czochralski法做出超高純度的GaAs當做半絕緣體。
·安全 Top
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是有毒的，As也是一種致癌物質。但，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（就像是三甲基鎵 trimethylgallium和As）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。 [5]
开放分类
参考资料
^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398
^ 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, pdf, p.24
^ Nobel Lecture by Zhores Alferov, pdf, p.6
^ Environment, health and safety issues for sources used in MOVPE growth of compound semiconductors; D V Shenai-Khatkhate, R Goyette, R L DiCarlo and G Dripps, Journal of Crystal Growth, vol. 1-4, pp. 816-821 (2004); DOI:doi:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007
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