砷化镓

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IIIA族、VA族化合物半导体材料，用来制作微波积体电路、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等元件。砷化镓为1类致癌物。

GaAs化合物半导体特别适合应用于无线通信中的高频传输领域，现在越来越多被应用于射频前端器件，这是因为GaAs化合物半导体电子迁移率比传统的硅快，且具有抗干扰、低噪声与耐高电压、耐高温与高频使用等特性，在4G与5G时代有高度需求。

## 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，或氨水与双氧水混和的溶液，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

## 应用

### 砷化镓的优点

- 电子物理特性
- 砷化镓拥有一些比硅还要好的电子特性，如较高的饱和电子速率及电子迁移率，使得砷化镓可以应用于高于250 GHz的场合。如果等效的砷化镓和Si元件同时都操作在高频时，砷化镓会拥有较少的噪声。也因为砷化镓有较高的击穿电压，所以砷化镓比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性，砷化镓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。砷化镓曾用来做成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。现今以硅为基材而制成的RFCMOS虽可达到高操作频率及高整合度，但其先天物理上缺点如击穿电压较低、基板于高频环境易损耗、讯号隔离度不佳、低输出功率密度等，使其在功率放大器及射频开关应用上始终难以跟砷化镓匹敌。
- 能隙
- 砷化镓的另一个优点是直接能隙的材料，所以可以应用在发光装置上。而硅是间接能隙的材料，发出的光非常微弱。最近的技术已可用硅做成LED和运用在激光领域，可是发光效率仍不甚理想。
- 切换速度
- 因为砷化镓的切换速度快，所以被认为是半导体的理想材料。1980年代时，大众普遍认为微电子市场的主力材料将从硅换成砷化镓，首先试着尝试切换材料的有超级电脑之供应商克雷公司、Convex电脑公司及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砷化镓为基础的机器，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，于1996年被硅谷图形公司收购；经种种难关，在2000年后原名复活。
- 抗天然辐射
- 砷化镓比硅更不会受到自然辐射的干扰，不易产生错误讯号。

### 硅的优点

- 地球表面有大量可提炼出硅的原料－硅酸盐矿，所以与砷化镓相比，提炼成本较低。硅基材的制程在业界已进入量产期许久，制造成本低廉；且硅也有较好的物理应力，可制成大尺寸的晶圆，进一步降低生产成本。硅工业已发展到规模经济（透过高产能以降低单位成本）的阶段，更降低了业界使用砷化镓的诱因。
- 硅来源多且很容易转换成二氧化硅（在电子元件中是优良绝缘体），而二氧化硅可以轻易地被整合到硅电路中，且两者拥有很好的界面特性。反观，砷化镓很难产生一层稳定且坚固附着在砷化镓上的绝缘层。
- 硅拥有很高的电洞移动率，在需要CMOS逻辑时，高电洞率可以达成高速的P-通道场效应晶体管。如果需要快速的CMOS结构，虽然砷化镓的电子移动率快，但因为功率消耗高，所以砷化镓电路较难被整合到硅电路内。

### 砷化镓的异质结构

因为砷化镓和砷化铝（AlAs）的晶格常数几乎一样，可以利用分子束外延（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），在砷化镓上轻易地形成异质的结构，生长出砷化铝或砷化铝镓（AlxGa1-xAs）合金；且因为生长出的合金层应力小，所以几乎可以任意调整生长厚度。

砷化镓的另一个重要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砷化镓异质结构的太阳电池。用砷化镓、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下的剧烈强光。这种太阳电池曾运用在美国NASA探测火星表面的机器人勇气号火星探测器（Spirit Rover）和机遇号（Opportunity Rover），且许多太空载具的太阳电池板阵列都是出于砷化镓。

利用布里奇曼-史托巴格法（Bridgman–Stockbarger technique）可以制造出砷化镓的单晶，因为砷化镓的力学特性，所以柴可拉斯基法（Czochralski process）很难运用在砷化镓材料的制作。

## 安全

砷化镓的毒性至今仍没有被很完整的研究。因为它含有砷，经研究指出，砷是有毒的，也是一种致癌物质。但因为砷化镓的晶体很稳定，所以如果身体吸收了少量，其实是可以忽略的（指“短时间”，长时间仍有累积成生物毒性，需要不定期体检）。当要做晶圆抛光制程（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砷。就环境、健康和安全等方面来看砷化镓（就像是三甲基镓和砷）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。

## 相关

相关技术

- 电子学
- 场效应晶体管
- 异质结构射极双极性晶体管
- 积体电路
- 半导体
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- 太阳电池
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相关材料

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- MOVPE
- 三甲基镓
- 砷化氢
- 氯化氢

骗局

- 博达科技掏空案

## 外部链接

- 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

## 基本资料

- IUPACName：Gallium arsenide
- CASNo：1303-00-0
- PubChem：14770
- 3D模型（JSmol）：Ga#As
- 化学式：GaAs
- MolarMass：144.645
- 外貌：灰色立方晶体
- 密度：5.316 g/cm3
- 水溶性：< 0.1 g/100 ml (20 °C)
- MeltingPt：1238 °C (1511 K)
- BandGap：1.424
- BandGap_notes：300 K
- ElectronMobility：8500 cm2/(V*s) (300 K)
- ThermalConductivity：0.55 W/(cm*K) (300 K)
- RefractIndex：3.3
- MolShape：直线形
- CrystalStruct：闪锌矿结构
- SpaceGroup：T2d-F-43m
- Coordination：四面体
- ExternalMSDS： MSDS
- RPhrases：吸入及吞食有毒-对水生生物剧毒，可能对水生环境造成长期的不良影响
- SPhrases：上锁储存并防止儿童触及-使用中严禁饮食吸烟-接触皮肤后立即用大量液体冲洗（用来冲洗的液体由生产厂家指定）-发生事故或感到不适时立即求医，可能的话出示标签-该物质及容器必须按危险废物放置-防止排向环境，参考特别指示或安全技术说明书操作
- NFPA-H：3
- NFPA-F：1
- NFPA-R：2
- NFPA-O：W