半导体材料砷化镓到底是什么？

砷化镓（GaAs）半导体材料与传统的硅材料相比，具有很高的电子迁移率（约为硅材料的5.7倍）以及宽禁带结构。同样条件下，它能更快地传导电流。我们可以利用砷化镓半导体材料制备微波器件，它在卫星数据传输、移动通信、GPS全球导航等领域具有关键性作用。
砷化镓半导体材料的一个重要特性是它的光电特性。由于它具有直接带隙（通过吸收或放出光子能量，电子从价带直接跃迁到导带，从而有较高发光效率）以及宽禁带等结构，它的光发射效率比硅锗等半导体材料高。它不仅可以用来制作发光二极管、光探测器，还能用来制备半导体激光器，广泛应用于光通信等领域。此外，砷化镓半导体材料还具有耐高温、低功率等特性，在卫星通讯领域有着广泛应用。

化合物半导体材料砷化镓 （GaAs）和磷化铟（InP）是微电子和光电子的基础材料，而砷化镓则是化合物半导体中最重要、用途最广泛的半导体材料，也是目前研究得最成熟、生产量的化合物半导体材料。由于砷化镓具有电子迁移率高（是硅的5~6倍）、禁带宽度大（它为1.43eV，Si为1.1eV）且为直接带隙，容易制成半绝缘材料、本征载流子浓度低、光电特性好。用砷化镓材料制作的器件频率响应好、速度快、工作温度高，能满足集成光电子的需要。它是目前最重要的光电子材料，也是继硅材料之后最重要的微电子材料，它适合于制造高频、高速的器件和电路。

此外, GaAs材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性。所以,用该材料制造的器件也具有特殊用途和多样性,其应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。即使在1998年世界半导体产业不景气的状况下, GaAs材料器件的销售市场仍然看好[1]。当然, GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔点蒸气压高、组分难控制、单晶生长速度慢、材料机械强度弱、完整性差及价格昂贵等,这都大大影响了其应用程度。然而, GaAs材料所具有的独特性能及其在军事、民用和产业等领域的广泛用途,都极大地引起各国的高度重视,并投入大量资金进行开发和研究。

一、材料的物理特性

1、砷化镓材料的基本物理特性

砷化镓半导体材料是直接带隙结构，双能谷。晶体呈暗灰色，有金属光泽。GaAs室温下不溶于盐酸，可与浓硝酸反应，易溶于王水。室温下，GaAs在水蒸气和氧气中稳定。加热到6000C开始氧化，加热到8000C以上开始离解。有效质量越低，电子速度越快。GaAs中电子有效质量为自由电子的1/15，是硅电子的1/3，用GaAs制备的晶体管开关速度比硅的快3~4倍。

2、砷化镓材料的其他物理特性

砷化镓具有高迁移率,高饱合漂移速度。当半导体处于外场中时,在相继两次散射之间的自由时间内,载流子(比如电子)将被外场加速,从而获得沿一定方向的加速度。因此,在有外场存在时,载流子除了做无规则的热运动外,还存着沿一定方向的有规则的漂移运动,漂移运动的速度称为漂移速度( v ),漂移速度称为饱合漂移速度。

砷化镓还有一个重要的性能是半绝缘性,通过区域离子注入,其衬底内部仍然能保持电隔离。这样的性质,使其非常适合用作生产集成电路所用衬底的材料。另外,半绝缘砷化镓材料制成的器件,其寄生电容很小,这样可用来制造一些快速器件,比如开发的单片微波集成电路。

3、砷化镓的应用物理特性

砷化镓电池作为Ⅲ-Ⅴ族半导体电池，与硅电池相比有很多特点：

光电转换效率高： GaAs的禁带宽度较Si为宽,GaAs的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太阳电池的光电转换效率高。Si太阳电池理论效率为23%,而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27%和50%。

可制成薄膜和超薄型太阳电池：GaAs为直接跃迁型材料,而Si为间接跃迁型材料。在可见光范围内,GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料。同样吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需5~10µm的厚度,而Si太阳电池则需大于150µm。因此,GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小。

耐高温性能好： GaAs的本征载流子浓度低,GaAs太阳电池的功率温度系数小很多。200℃时,Si太阳电池已不能工作,而GaAs太阳电池的效率仍有约10%。

抗辐射性能好： GaAs为直接禁带材料,少数载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤,对光电流和暗电流均无影响。因此,其抗高能粒子辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池。

可制成效率更高的多结叠层太阳电池： MOCVD技术的日益完善,Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生长技术取得的重大进展,为多结叠层太阳电池研制提供了多种可供选择的材料。

二、材料的的应用

1、砷化镓在光电子方面的应用

同用其他材料制作的激光器相比,砷化镓激光器有很多优点:首先激光器件可以做得很小,如用砷化镓激光器制造的小型雷达,只有手电筒那样大,能产生1.0×10-11s脉冲和6W的功率,是一种战地条件下很有效的雷达;其次,砷化镓化合物半导体激光器件使用寿命长。据报道,砷化镓激光器的寿命可达到2 700 000 h;第三,容量大是砷化镓激光器又一个重要的优点,用这种激光器通讯可以携带几千路对话通讯光束。

2、砷化镓在微电子方面的应用

砷化镓不仅可直接制作光电子器件，如发光二级管、可见光激光器、近红外激光器、量子阱大功率激光器、红外探测器和高效太阳能电池；而且在微电子方面，以半绝缘砷化镓为基体，用直接离子注入自对准平面工艺研制的砷化镓高速数字电路、微波单片电路、光电集成电路、低噪声及大功率场效应晶体管，且有速度快、频率高、低功耗和抗辐射等特点，不仅在国防上具有重要意义，在民用和国民经济建设中更有广泛应用。同时由于太阳能电池、光纤通信和移动通信的发展，世界对砷化镓半导体材料的需求越来越大，砷化镓的重要性也在不断提高。

3、砷化镓在通信方面的应用

半绝缘砷化镓材料主要用于高频通信器件，受到近年民用无线通信市场尤其是手机市场的拉动，半绝缘砷化镓材料的市场规模也出现了快速增长的局面[6]。同时砷化镓太阳能电池作为新一代高性能长寿命空间主电源，必将逐步取代目前采用的硅电池在空间电伏领域占领主导地位。我国航天事业飞速发展也需要高性能、长寿的空间主电源。

4、砷化镓在微波方面的应用

与硅微波器件相比,砷化镓微波器件特点是:功率大、频率高、增益高、噪声小,并且能够在比较低的电压下工作,现在,砷化镓场效应晶体管和雪崩二极管的工作效率已经达到几十千兆周,有可能突破100千兆周,这在雷达和微波通讯方面,都有着极为重要的意义。由于砷化镓微波器件增容高,噪声小,所以大大改善了微波系统的灵敏度。砷化镓甘氏二级管可以在操作电压5V到7V的条件下工作。所以砷化镓甘氏二级管,可以使用尺寸小和重量轻的电源,对宇宙空间技术有极为重要的意义。

5、砷化镓在太阳能电池方面的应用

砷化镓是一种很有发展前途的制作太阳能电池的材料。太阳能电池可以把太阳能直接转换为电能。硅太阳能电池是世界上使用最多的一种,它的转换效率最高能够达到18%～20%,而砷化镓太阳能电池效率预计可以达到23%～26%,它是目前各种类型太阳能电池中效率预计最高的一种。砷化镓太阳能电池抗辐射能力强,并且能在比较高的温度环境中工作。这不仅对探索宇宙的研究提供了有利条件,而且也标志着人类在直接利用无穷无尽的太阳能方面又迈进了一步。

三、总结

砷化镓作为Ⅲ-Ⅴ族半导体材料，它的闪锌矿晶体结构和直接带隙结构让它具有相比于硅，锗更为优良的性能。砷化镓具有更高的电子迁移率和饱和迁移速率，而且还有独特的半绝缘性，而且砷化镓材料还具有耐热、耐辐射及对磁场敏感等特性，使砷化镓材料具有特殊用途和多样性,应用已延伸到硅、锗器件所不能达到的领域。砷化镓材料虽然在制备方面具有一定的难度，但其应用前景仍旧是一片光明，在光电子，微电子，太阳能电池等各个方面都有非常广泛的应用。