砷化鎵
| 砷化鎵 | |
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| IUPAC名 Gallium arsenide | |
| 识别 | |
| CAS号 | 1303-00-0 ? |
| SMILES |
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| 性质 | |
| 化学式 | GaAs |
| 摩尔质量 | 144.645 g·mol⁻¹ |
| 外观 | 灰色立方晶体 |
| 密度 | 5.316 g/cm3[1] |
| 熔点 | 1238 °C (1511 K) |
| 溶解性（水） | < 0.1 g/100 ml (20 °C) |
| 能隙 | 1.424 eV300 K |
| 电子迁移率 | 8500 cm2/(V*s) (300 K) |
| 熱導率 | 0.55 W/(cm*K) (300 K) |
| 折光度n D |
3.3 |
| 结构 | |
| 晶体结构 | 闪锌矿结构 |
| 空间群 | T2d-F-43m |
| 配位几何 | 四面体 |
| 分子构型 | 直线形 |
| 危险性 | |
欧盟危险性符号 有毒 T 危害环境N | |
| 警示术语 | R：R23/25-R50/53 |
| 安全术语 | S：S1/2-S20/21-S28-S45-S60-S61 |
| MSDS | MSDS |
| NFPA 704 |
 1
3
2
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| 若非注明，所有数据均出自标准状态（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族化合物半导体材料，用來製作微波積體電路[註 1]、紅外線發光二極體、半导体激光器和太陽電池等元件。
性质
砷化镓是重要的化合物半导体材料，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，外表开始生成氧化物形成氧化膜包腹。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
砷化镓天然存量稀少，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。如一氯化镓用砷蒸气还原来制备砷化镓；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
應用
砷化鎵的優點
- 1.電子物理特性
- 砷化鎵（GaAs）擁有一些比矽（Si）還要好的電子特性，如高的飽和電子速率及高的电子迁移率，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」，中国大陆地区叫做「耿氏二极管」) 以發射微波。現今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低击穿电压、矽基板高頻損耗、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。[2]
- 3.切換速度
- 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克雷公司、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
矽（Si）比GaAs好，有三個主要理由。
第一，矽（Si）製程是大量生產且便宜的製程。且矽（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矽（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的意愿。
第二個主要的優點是，矽（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矽（Si）電路中，且二氧化矽和矽（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，大概也是最重要的優點，是矽（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
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外延（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。[4][5][6] 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美國NASA探測火星表面的機器人：勇气号火星探测器（spirit rover）和机遇号（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，所以用柴可拉斯基法是很難運用在GaAs材料的。但是，曾經有人[谁？]用柴可拉斯基法做出超高純度的GaAs當做半絕緣體。
安全
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。當要做晶圓抛光製程（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。[7]
相關資料
相關材料
參考文獻
- 腳注
- 引用
- ^ Pradyot Patnaik. Handbook of Inorganic Chemicals. McGraw-Hill, 2002, ISBN 0070494398
- ^ 砷化鎵應用就在你身邊(2)─衛星通訊與光通訊，[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.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
- ^ 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
- ^ doi:10.1016/j.jcrysgro.2004.09.007
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外部連接
- Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity
- Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide
- Facts and figures on processing Gallium Arsenide
- Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices
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