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砷化镓

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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，用来制作微波集成电路、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等元件。

GaAs经常被用作其III-V族半导体外延生长的基底材料，包括砷化铟镓、砷化铝镓等。

1 制备和化学性质编辑

在化合物中，镓具有+3氧化态。砷化镓单晶可以通过三种工业工艺制备：[1]

  • 垂直梯度冷冻(VGF)工艺(大多数GaAs晶片都是用这种工艺生产的)。[1]
  • 在布里奇曼-斯托克巴格尔(Bridgman-Stockbarger)技术中使用水平炉进行晶体生长，其中镓和砷蒸汽在炉中水平区发生反应，游离分子沉积在熔炉较冷端的籽晶上。
  • 液体封装直拉法(LEC)用于生产高纯度单晶，该单晶可以表现出半绝缘特性(见下文)。

生产GaAs薄膜的替代方法包括：[1][2]

  • 气态镓金属与三氯化砷的VPE反应：2 Ga + 2 AsCl3 → 2 GaAs + 3 Cl2
  • 三甲基镓与胂的MOCVD反应：Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3 CH4
  • 镓和砷分子束外延：4 Ga + As4 → 4 GaAs或2 Ga + As2 → 2 GaAs

GaAs在空气中发生氧化会降低其半导体性能。可以通过使用叔丁基硫化镓化合物如(tBuGaS)7沉积立方硫化镓(II)层来钝化表面。[3]

1.1 半绝缘晶体

如果GaAs刚玉生长时含有过量的砷，会产生某些缺陷，特别是砷反位缺陷(晶格中位于晶格中镓原子位置)。这些缺陷的电子性质(与其他缺陷相互作用)导致费米能级被固定在带隙中心附近，因此这种GaAs晶体具有非常低的电子和空穴浓度。这种低载流子浓度类似于本征(完全未掺杂)晶体，但在实际操作中更容易实现。这些晶体被称为“半绝缘的”，反映出它们107-109ω·cm的高电阻率(这对于半导体来说相当高，但仍然比玻璃这样的真正绝缘体低得多)。[4]

1.2 蚀刻

GaAs的湿法蚀刻在工业上使用过氧化氢或溴水等氧化剂，同时，在涉及处理含有GaAs的废料组分的一份专利中描述了相同的方法，其中三价镓离子与异羟肟酸(“透明质酸”)进行络合，例如：[5]

GaAs + H 2O 2 +“HA”→“GaA”络合物+ H 3AsO 4 + 4 H 2O

这个反应产生砷酸。

2 电子学编辑

2.1 GaAs数字逻辑电路

GaAs可用于各种晶体管类型：[6]

  • 金属半导体场效应晶体管
  • 高电子迁移率晶体管(场效应晶体管的一种)
  • 结栅场效应晶体管
  • 异质结双极晶体管(HBT)

HBT可用于集成注入逻辑电路(I2L)。最早的GaAs逻辑门使用缓冲场效应晶体管逻辑电路(BFL)。[6]

从1975年到1995年，使用的主要逻辑电路系列是：[6]

  • 源极耦合场效应晶体管逻辑(SCFL)，速度最快且最复杂(由TriQuint 和Vitesse使用)
  • 电容器-二极管场效应晶体管逻辑电路(CDFL)(克雷使用)
  • 直接耦合场效应晶体管逻辑(DCFL)，最简单和最低功耗(Vitesse用于超大规模集成电路门阵列)

2.2 与电子用硅比较

GaAs的优势

砷化镓的某些电子性质优于硅。它具有更高的饱和电子速度和更高的电子迁移率，允许砷化镓晶体管在超过250 GHz的频率下工作。由于GaAs具有更宽的能带隙，因此其对过热相对不敏感，并且它们在电子电路中比硅器件产生更少的噪声(电信号中的干扰),尤其是在高频下，这是由于GaAs具有较高载流子迁移率和较低电阻器件寄生效应。这些优越的性能是在移动电话、卫星通信、微波点对点链路和高频雷达系统中使用GaAs电路的重要原因。它还被用于制造用于产生微波的耿氏二极管。

GaAs的另一个优点是它有一个直接的带隙，这意味着它可以用来有效地吸收和发射光。硅具有间接带隙，因此发光相对较差。

GaAs作为一种具有抗辐射损伤性能的宽直接带隙材料，是用于外太空电子设备和高功率光学窗口的优异材料。

由于其宽带隙，纯GaAs电阻很高。与高介电常数相结合，这一特性使GaAs成为集成电路非常好的基材，这一点与硅不同，硅在器件和电路之间提供自然隔离。这使得它成为单片微波集成电路(MMICs)的理想材料，在单片微波集成电路中，可以很容易地在一片GaAs上制备有源和基本的无源元件。

最早的GaAs微处理器之一是在20世纪80年代早期由RCA公司开发的，并被考虑用于美国国防部的星球大战计划。这些处理器比硅处理器快几倍，抗辐射能力强几个数量级，但价格更高。[7] 其他GaAs处理器是由超级计算机供应商克雷计算机公司(Cray Computer Corporation)、Convex公司和阿利安特(Alliant)公司实施的，旨在领先于不断改进的CMOS微处理器。克雷公司最终在20世纪90年代早期制造了一台基于GaAs的机器——Cray-3，但这一努力没有得到足够的资本支持，该公司于1995年申请破产。

砷化镓与砷化铝(AlAs)或合金AlxGa1-xAs的复杂层状结构可以使用分子束外延(MBE)或金属有机气相外延(MOVPE)生长技术。因为GaAs和AlAs具有几乎相同的晶格常数，这些层几乎没有诱导应变，这使得它们几乎可以任意增长。这使得极高性能和高电子迁移率的HEMT晶体管和其他量子阱器件成为可能。

人们对GaAs易受热损害的担忧有所增加，但考虑到许多消费电子产品设计遵循的计划报废周期，有人推测某些制造商将受益于这些限制。[8]

硅的优势

在集成电路制造方面，硅比GaAs有三大优势。首先，硅以硅酸盐的形式大量存在于自然界并且加工成本低。硅产业的规模经济也阻碍了GaAs的采用。

此外，硅晶体具有非常稳定的结构，并且可以生长到非常大直径的晶锭并以非常好的产率加工。它也是一种相当好的导热体，因此能够实现晶体管的非常密集的封装，以消除它们的工作热，这对于设计和制造非常大的集成电路都是非常理想的。这种良好的机械特性也使其成为快速发展的纳米电子学领域的合适材料。通常来说，GaAs表面无法承受扩散所需的高温；然而，从20世纪80年代开始，离子注入成为一种可行的、人们积极寻求的替代方法。[9]

硅的第二个主要优点是天然氧化物(二氧化硅，SiO2)的存在，它被用作绝缘体。二氧化硅可以容易地集成到硅电路上，并且粘附到下面的硅上。二氧化硅不仅是良好的绝缘体(带隙为8.9电子伏)，而且硅-二氧化硅界面可以容易地设计成具有优异的电性能，最重要的是界面态密度低。GaAs不具有天然氧化物，不容易支撑稳定的粘附绝缘层，并且不具有二氧化硅的介电强度或表面钝化质量。[9]

氧化铝(Al2O3)已被广泛研究作为GaAs(以及铟镓砷)的可能栅极氧化物。

硅的第三个优点是它比GaAs具有更高的空穴迁移率(500比400 cm2V-1s-1)。[10] 这种高迁移率允许制造CMOS逻辑所需的高速P通道场效应晶体管。因为它们缺乏快速的CMOS结构，GaAs电路必须使用功耗高得多的逻辑电路类型；这使得GaAs逻辑电路无法与硅逻辑电路竞争。

对于制造太阳能电池来说，硅对太阳光的吸收率相对较低，这意味着需要大约100微米的硅来吸收大部分太阳光。这种硅原子层相对坚固且易于处理。相比之下，GaAs的吸收率非常高，以至于只需要几微米的厚度就可以吸收所有的光。因此，GaAs薄膜必须支撑在基底材料上。[11]

硅是一种纯元素，避免了化学计量失衡和GaAs热不均现象等问题。

硅有近乎完美的晶格；杂质密度非常低，可以构建非常小的结构(目前低至16纳米[12])。相比之下，GaAs的杂质密度非常高，这使得难以构建具有小结构的集成电路，因此500纳米工艺是GaAs的常见工艺。

3 其他应用编辑

覆盖Mid STAR-1的三结GaAs电池

3.1 太阳能电池和探测器

砷化镓(GaAs)是用于高成本、高效率太阳能电池的重要半导体材料，其可用于单晶薄膜太阳能电池和多结太阳能电池。

已知的GaAs太阳能电池在太空中的第一次实际应用是1965年发射的维尼拉3号任务。Kvant公司生产的GaAs太阳能电池之所以被选中，是因为它们在高温环境中具有更高的性能。出于同样的原因，GaAs电池被用于Lunokhod步行者项目。

1970年，GaAs异质结构太阳能电池由苏联Zhores Alferov领导的团队开发，[13][14][15] 实现了更高的效率。在20世纪80年代早期，最好的GaAs太阳能电池的效率超过了传统的晶体硅基太阳能电池。20世纪90年代，GaAs太阳能电池取代硅电池成为最常用于卫星光伏阵列的电池类型。后来，基于GaAs和锗及铟镓磷化物层的双结和三结太阳能电池被用作三结太阳能电池的基础，其保持超过32%的记录效率，并且还可以在2000个太阳的聚光强度下工作。这种太阳能电池为探索火星表面的火星探索漫游者精神号和机遇号提供动力。许多太阳能汽车也在太阳能电池阵列中使用GaAs。

基于GaAs的器件在效率最高的单结太阳能电池方面创下了28.8％的世界纪录。[16] 这种高效率归因于极高质量的GaAs外延生长、铝镓砷的表面钝化[17] 以及光子回收薄膜设计的提高。[18]

使用量子阱的AlxGa1-xAs-GaAs器件的复杂设计对红外辐射敏感(QWIP)。

GaAs二极管可以用来探测X光。[19]

3.2 发光器件

砷化镓的能带结构。砷化镓的直接间隙使其可在1.424eV（~870nm）下有效发射红外光。

自1962年以来，GaAs一直被用来生产近红外激光二极管。[20]

3.3 光纤温度测量

为了实现光线温度测量，光纤温度传感器的光纤尖端装有砷化镓晶体。从850纳米的光波长开始，GaAs变成光学半透明的。由于带隙的位置与温度有关，它偏移约0.4纳米/开尔文。测量装置包含光源和用于带隙光谱检测的装置。随着带隙(0.4纳米/开尔文)的变化，算法计算温度(均为250毫秒)。[21]

3.4 自旋电荷转换器

GaAs在自旋电子学中有应用，因为它可以代替铂用于自旋电荷转换器，并且调节性更好。[22]

4 安全性编辑

已经报道了砷化镓源(如三甲基镓和砷化氢)的环境、健康和安全方面以及金属有机前体的工业卫生监测研究。[23] 加利福尼亚州将砷化镓列为致癌物，[24] IARC和ECA也做出同样认定，[25] 砷化镓被认为是动物体内已知的致癌物。[26][27] 另一方面，2013年的一份综述(由工业界资助)反对这些分类，称当大鼠或小鼠吸入颗粒较小的GaAs粉末(如之前的研究)时，它们会因肺部刺激和炎症而致癌，而不是GaAs本身具有致癌作用——此外，GaAs的生产或使用中过程中不会产生颗粒较小的GaAs粉末。[25]

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