磷化镓

半导体材料磷化镓单晶制备外延生长应用磷化镓试剂级价格

磷化镓

CAS号:12063-98-8
英文名:GALLIUM PHOSPHIDE
中文名:磷化镓
CBNumber:CB7739468
分子式:GaP
分子量:100.7
MOL File:12063-98-8.mol

磷化镓化学性质

熔点 :1480 °C
密度 :4.13 g/mL at 25 °C
折射率 :2.9
闪点 :230 °F
形态 :Solid
比重 :4.1
颜色 :Pale orange
电阻率 (resistivity) :~0.3 Ω-cm
水溶解性 :Insoluble in water.
晶体结构 :Cubic, Sphalerite Structure - Space Group F(-4)3m
Merck :14,4353
CAS 数据库 :12063-98-8(CAS DataBase Reference)
EPA化学物质信息 :Gallium phosphide (GaP) (12063-98-8)

安全信息

危险品标志 :Xi
危险类别码 :36/37
安全说明 :26
危险品运输编号 :3288
WGK Germany :2
RTECS号 :LW9675000
F :10-21
TSCA :Yes

磷化镓性质、用途与生产工艺

半导体材料磷化镓简称Gap，是由元素镓(Ga)与元素磷(P)合成的Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，常温下其纯度较高的为橙红色透明固体，磷化镓是制作半导体可见发光器件的重要材料，主要用作制造整流器，晶体管、光导管、激光二极管和致冷元件等。
磷化镓和砷化镓是具有电致发光性能的半导体，是继锗和硅之后的所谓第三代半导体。砷化镓发光二极管量子效率高、器件结构精巧简单、机械强度大、使用寿命长，可应用于“光电话”。与砷化镓不同，磷化镓是一种间接带隙材料。当引入能形成等电子陷阱的杂质后，其发光效率会大大提高，并且能根据引入杂质的不同而发出不同颜色的光来。例如在磷化镓中掺入氮则发绿光，掺入锌-氧对则发红光，因此磷化镓是制作可见光发光二极管和数码管等光电显示器件的重要材料，此外还可用来制作光电倍增管、光电存储器、高温开关等器件。
磷化镓的熔点为1467℃，由于含有易挥发的磷，在熔点温度时，磷化镓的离解压高达35个大气压，因此必须在高压容器内进行合成和晶体生长。从高温熔体中拉制的磷化镓晶体常含有较多的镓、磷空位等缺陷，它们在冷却时可因过饱和而凝聚成微缺陷，从而影响器件的发光效率。为减少这些缺陷，可采用溶质合成扩散法进行晶体生长，但生长速度慢、不易得到大晶体。目前器件制作中大多使用外延生长的磷化镓薄膜，而体单晶只用来作衬底材料。
工业上使用溶质扩散法制备磷化镓，即将镓和磷形成温度梯度进行扩散或氢氧化镓和饱和磷蒸气在氢气流中反应得到磷化镓。
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磷化镓单晶制备 1968年英国皇家雷达公司的勃兹(S.J.Bass)等人首次报道了用高压液封直拉法生长制备磷化镓(简称GaP)单晶。从此，LEC法成为制备GaP单晶的惟一方法，现已发展到批量生产规模，全世界年产量约25t，其基本工艺过程是：在高压合成炉中把高纯(6N以上)元素镓和磷合成GaP多晶，再把多晶料经清洁处理后装入高压单晶炉中拉制单晶，其生长参数为：炉室压强5～6MPa，拉速≈10mm/h。目前国内外所用GaP单晶衬底片规格为：n型掺杂剂硫、硅，直径约50mm，晶向〈111〉或〈100〉，n=(2～8)×1017/cm3，μn约100cm2/(V·s)，EPD≤4×105/cm2，厚度约300μm。
外延生长 GaP衬底上通过液相外延或气相外延法生长GaP或GaAsP的p-n结，用于制备可见光发光二极管(LED)。目前大量生产的红、绿色LED所用的外延片主要用液相外延(LPE)技术制备。其生长方式大多采用冷却法(降温法)，操作工艺则有滑动舟法、浸渍法、双箱法等，设备容量一般为20～50片/次，采用垂直衬底架则可达200片/次，黄、橙色LED亦可用气相外延(VPE)技术制备p-n结，所用衬底片直径一般为50mm。
知识来源：中国冶金百科全书总编辑委员会《金属材料卷》编辑委员会
应用自1952年德国科学家韦尔克(H.Walker)提出Ⅲ-Ⅴ族化合物具有半导体性质以后，人们就着手对包括GaP在内的Ⅲ-Ⅴ族化合物进行单晶制备和性能研究。由于GaP在熔点时离解压高，在1968年以前只能用溶液生长法生长小尺寸多晶体。
目前磷化镓(简称Gap)大量用于制备发光二极管(LED)，该器件是目前生产量最大的化合物半导体器件。磷化镓的能带结构虽为间接跃迁型，带间复合几率很小，但利用等电子陷阱所形成的束缚激子复合可获得相当高的发光效率，例如GaP中掺氮，氮在晶格中占磷位，氮、磷同属Ⅴ族元素是等电性的，但氮原子外层电子比磷原子少8个，这样，晶格中磷位上的氮原子对电子的亲和力比磷原子大，而且易于俘获电子，然后由于库仑力作用再俘获空穴而形成所谓“束缚激子”，这就是等价电子所形成的等电子陷阱，它复合时可产生有效的近带隙复合辐射。当掺氮浓度为≈1019/cm3时，氮是绿色发光中心，如掺氮浓度再高(>1019/cm3)，会在晶格中形成N-N对，N-N对所形成的激子复合时发射黄光在GaP中掺入Zn-O对，Zn-O对替代GaP分子形成等价分子，亦可成为等电子陷阱，所形成的束缚激子发红光。在GaP衬底上生长适当组分的GaAsP( 一般用VPE法生长)并同时掺入一定浓度的氮或Zn-O对，也可发射红，橙，黄色光。磷化镓单晶是制备红，绿，黄，橙四色可见光LED的主要衬底材料。
化学性质橙色透明的晶体。熔点1477℃。相对密度4.13。其离解压为3.5±1MPa。难溶于稀、浓盐酸、硝酸。是半导体。
用途用于太阳能电池转换率高的InGaAsP/InP等半导体中。
发光二极管大量用于控制灯、显示仪表或面发光元件等，发光二极管所用磷化物半导体有GaP、GaAsP等。红色发光二极管使用GaP或GaAsP等。黄、橙色发光二极管以GaAsP为主体。
生产方法目前主要用高压单晶炉液体密封技术和外延方法制备磷化镓晶体。
液体密封直拉法采用高压单晶炉，将多晶磷化镓加入单晶炉的合金石英坩埚中，再经抽真空、熔化，在充以5.5 Mpa氩气压下，用三氧化二硼液封拉晶。因磷化镓分解压力很大，在典型生长条件下，有一定量的磷溢出并与三氧化二硼作用，使三氧化二硼透明性变差，并有部分冷凝在观察孔上妨碍观察，为此可用X射线扫描及称量法等来控制晶体直径，制得磷化镓单晶成品。
合成溶质扩散法(SSD法)将镓放入石英坩埚中，镓源温度在1100～1150℃之间，坩埚底部放磷化镓籽晶处温度为1000～1050℃，磷源温度为420℃，这时产生约0.1 Mpa磷蒸气压，在1150℃磷化镓的离解压为0.67Pa，所以在0.1 Mpa磷蒸气压下，磷化镓可以稳定生长。开始时，磷蒸气与处在高温的镓表面反应生成磷化镓膜。此磷化镓溶于下面的镓液中并向坩埚底部扩散，由于坩埚底部温度较低，当磷化镓超过溶解度时，就会析出晶体，如磷源足够，最后会将镓液全部变成磷化镓晶体。
磷化镓外延生长用上述方法制备的单晶主要用来作衬底。用液、气相外延方法能用来制备薄膜单晶。
磷化镓液相外延方法主要有浸渍法、转动法和滑动舟法。目前采用较多的是滑动舟法。气相外延主要有：Ga-PCI3-H2；GaHCl-PH3-H2；GaP-H2O(HCl)-H2系统和MOCVD法(金属有机热分解气相生长法)。
最近采用InP与InP；aAsP多层结构半导体开发了具有光增幅、光演算、光记忆等功能的元件。
类别有毒物品
毒性分级低毒
急性毒性口服-小鼠LD50: 8000 毫克/公斤
可燃性危险特性高热产生有毒磷氧化物烟雾
储运特性库房通风低温干燥
灭火剂干粉、泡沫、砂土、二氧化碳, 雾状水