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砷化镓（一种重要的半导体材料）

次浏览 | 更新时间：2023-06-01

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砷化镓是一种由镓和砷组成的黑灰色固体半导体材料，具有闪锌矿型晶格结构。它的熔点为1238℃，在600℃以下能在空气中稳定存在，并且不易被非氧化性的酸侵蚀。由于其属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体，砷化镓在电子工业、光电子领域、太阳能电池和半导体器件等方面具有广泛的应用。因此，砷化镓是一种非常重要的半导体材料。

砷化镓

一种重要的半导体材料

砷化镓（gallium arsenide），化学式 GaAs。黑灰色固体，熔点1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不被非氧化性的酸侵蚀。

砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中，兼具多方面优点的材料，但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生产理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。

基本信息

中文名	砷化镓
类型	半导体
相对介电常数	13.18
电子亲和能	4.07eV
禁带宽度	1.424eV@300K

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安全信息

符号：GHS08

信号词：危险

危害声明：H350; H372

警示性声明：P201; P308 + P313

包装等级：II

危险类别：6.1

海关编码：2853009022

危险品运输编码：UN 1557 6.1/PG 2

WGK Germany：3

危险类别码：R23/25

安全说明：S20/21; S28; S45; S60; S61

RTECS号：LW8800000

危险品标志：T; N

主要特性

规格	砷化镓
传输范围(微米)	1.0-22
折射指数 10微米	3.277
折射指数的温度系数 10.6微米，	149 x 10/度
体积吸收系数 10微米/厘米	<0.01
熔点，摄氏度	1238

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材料优点

GaAs拥有一些较Si还要好的电子特性，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会产生较少的噪音。也因为GaAs有较高的崩溃压，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曾用来做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管)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和运用在镭射。)

技术工艺

中国掌握“半导体贵族”砷化镓单晶生产技术

作为第二代半导体，砷化镓单晶因其价格昂贵而素有“半导体贵族”之称。2001年7月31日，中国科学家宣布已掌握一种生产这种材料的新技术，使中国成为继日本、德国之后掌握这一技术的又一国家。北京有色金属研究总院宣布，国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓单晶。

据专家介绍，砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数据，因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照明等诸多光电子领域。另外，因其电子迁移率比硅高6倍，砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它还被广泛使用于军事领域，是激光制导导弹的重要材料，曾在海湾战争中大显神威，赢得“砷化镓打败钢铁”的美名。据悉，砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单晶片的20至30倍。尽管价格不菲，目前国际上砷化镓半导体的年销售额仍在10亿美元以上。在“十五”计划中，我国将实现该产品的产业化，以占据国际市场。

主流的工业化砷化镓生长工艺包括：直拉法（Cz法）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB法）以及垂直梯度凝固法（VGF法）等。以上方法各有优劣，除了实际工艺制备的方法，另外一种就是通过计算机来实现砷化镓的晶体生长数值模拟，如利用FEMAG/VB能模拟VB、VGF法生长工艺，利用FEMAG/Cz能模拟CZ法生长工艺；国内北京有色金属研究总院在晶体生长过程中的微缺陷、以及熔体和气流流动对晶体生长过程的影响作出了有效的计算模拟，对晶体生长的制备起到了技术指导的作用。

发展前景

2010年5月，新一期英国《自然》杂志报告说，美国研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业。

美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片，大大降低了成本。这些砷化镓晶片可以像“盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电池板。

不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓晶片，如边长500微米的太阳能电池单元。下一步研究将致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片。

2021年11月，美国普林斯顿大学研究人员在《自然·材料》杂志报告称，他们研制出了世界上迄今最纯净的砷化镓。该砷化镓样品的纯度达到每100亿个原子仅含有一个杂质，纯度甚至超过了用于验证一千克标准的世界上最纯净的硅样品。

安全性

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是剧毒的。但是，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时，及金属有机化合物前驱物的工业卫生监控研究，都最近指出以上的观点。

参考资料

[1]

迄今最纯砷化镓半导体面世-今日头条-手机光明网 · 手机光明网[引用日期2021-11-10]

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