砷化镓的特性与制备

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器件。

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，也能与热的盐酸和硫酸作用。

特性

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250GHz的场合。如果等效的砷化镓和Si器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器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、衬底于高频环境易损耗、信号隔离度不佳、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，不易产生错误信号。

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

以砷化镓为代表的第二代半导体，广泛应用于制造高频、高速、大功率、低噪声、耐高温、抗辐照等集成电路领域，已经发展成为现代电子信息产品”和“信息高速公路”关键技术，5G芯片市场非常好，产品供不应求。砷化镓(GaAs)是光电及手机网通高频通讯不可或缺的元件。

砷化镓单晶生长方法

从20世纪50年代开始,已经开发出了多种砷化镓单晶生长方法。目前主流的工业化生长工艺包括:液封直拉法(LEC)、水平布里其曼法(HB)、垂直布里其曼法(VB)以及垂直梯度凝固法(VGF)等。

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）。当要做晶圆抛光工艺（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。