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发光二极管材料-砷化镓

时间:2013-11-27来源:机器视觉网http://shixinhua.com 作者:石鑫华机器视觉网 点击:

发光二极管材料-砷化镓

石鑫华机器视觉网:砷化镓(化学式:GaAs)是镓和砷两种元素所合成的化合物,也是重要的化合物半导体材料,用来制作微波集成电路(例如单晶微波集成电路(MMIC))、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等元件。
砷化镓
砷化镓
砷化镓
IUPAC名
Gallium arsenide
识别
CAS号 1303-00-0
SMILES Ga#As
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
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)
热导率 0.55 W/(cm*K) (300 K)
折光度nD 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
有毒 T
危害环境N
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 NFPA 704
若非注明,所有数据均出自一般条件(25 ℃,100 kPa)下。

性质

砷化镓是最重要的半导体材料,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,开始生成氧化膜。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。如一氯化镓用砷蒸汽还原来制备砷化镓;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

应用

砷化镓的优点

1.电子物理特性

砷化镓(GaAs)拥有一些比硅(Si)还要好的电子特性,如高的饱和电子速率及高的电子迁移率,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有较高的击穿电压,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。

2.能隙

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和运用在激光,发光效率仍不甚理想。)

3.切换速度

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克雷公司、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

硅(Si)比GaAs好,有三个主要理由。
第一,硅(Si)制程是大量生产且便宜的制程。且硅(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硅(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,硅(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硅(Si)电路中,且二氧化硅和硅(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,大概也是最重要的优点,是硅(Si)拥有高很多的空穴移动率。在需要CMOS逻辑时,高的空穴率可以做成高速的P-沟道场效应晶体管。如果需要快速的CMOS结构时,虽然GaAs的电子迁移率快,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

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外延(molecular beam epitaxy, MBE)或有机金属气相外延 (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。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

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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