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砷化鎵

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砷化鎵（gallium arsenide）是一種無機化合物，化學式為GaAs，為黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下能在空氣中穩定存在，並且不被非氧化性的酸侵蝕。
砷化鎵是一種重要的半導體材料。屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體。屬閃鋅礦型晶格結構，晶格常數5.65×10-10m，禁帶寬度1.4電子伏。
2017年10月27日，世界衞生組織國際癌症研究機構公佈的致癌物清單初步整理參考，砷和無機砷化合物在1類致癌物清單中。 [5] 
中文名
砷化鎵 [6] 
外文名
Gallium Arsenide [6] 
化學式
GaAs
分子量
144.645
CAS登錄號
1303-00-0 [6] 
EINECS登錄號
215-114-8 [6] 
熔    點
1238 ℃ [6] 
密    度
5.31 g/cm³
外    觀
黑灰色固體
應    用
用來製作集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等
安全性描述
S20/21；S28；S45；S60；S61
危險性符號
T；N
危險性描述
R23/25 [6] 
UN危險貨物編號
1557 [6] 
電子親和能
4.07 eV [1] 
禁帶寬度
1.424eV(300K)
相對介電常數
13.18 [2] 

目錄

  1. 1 理化性質
  2. 2 研究進展
  3. 3 材料特性
  1. 4 技術工藝
  2. 5 毒理資料
  3. 6 安全信息
  1. ▪ 安全術語
  2. ▪ 風險術語

砷化鎵理化性質

密度：5.31g/cm3
熔點：1238℃
折射率：3.57
相對介電常數：13.18
電子親和能：4.07 eV
晶格能：5.65×10-10m
禁帶寬度：1.424e（300K）
電子遷移率：8500 cm2/(V·s) （300 K）
外觀：黑灰色固體

砷化鎵研究進展

砷化鎵於1964年進入實用階段。砷化鎵可以製成電阻率比硅、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料，用來製作集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。由於其電子遷移率比硅大5～6倍，故在製作微波器件和高速數字電路方面得到重要應用。用砷化鎵製成的半導體器件具有高頻、高温、低温性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點。此外，還可以用於製作轉移器件──體效應器件。砷化鎵是半導體材料中，兼具多方面優點的材料，但用它製作的晶體三極管的放大倍數小，導熱性差，不適宜製作大功率器件。雖然砷化鎵具有優越的性能，但由於它在高温下分解，故要生產理想化學配比的高純的單晶材料，技術上要求比較高。

砷化鎵材料特性

GaAs擁有一些較Si還要好的電子特性，使得GaAs可以用在高於250 GHz的場合。如果等效的GaAs和Si元件同時都操作在高頻時，GaAs會產生較少的噪音。也因為GaAs有較高的崩潰壓，所以GaAs比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性，GaAs電路可以運用在移動電話、衞星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。GaAs曾用來做成甘恩二極管、微波二極管和耿氏二極管以發射微波。
GaAs的的另一個優點：它是直接能隙的材料，所以可以用來發光。而Si是間接能隙的材料，只能發射非常微弱的光。（但是，最近的技術已經可以用Si做成LED和運用在鐳射。） [1] 

砷化鎵技術工藝

作為第二代半導體，砷化鎵單晶因其價格昂貴而素有“半導體貴族”之稱。2001年7月31日，中國科學家宣佈已掌握一種生產這種材料的新技術，使中國成為繼日本、德國之後掌握這一技術的又一國家。 北京有色金屬研究總院宣佈，國內成功拉制出了第一根直徑4英寸的VCZ半絕緣砷化鎵單晶。
據專家介紹，砷化鎵可在一塊芯片上同時處理光電數據，因而被廣泛應用於遙控、手機、DVD計算機外設、照明等諸多光電子領域。另外，因其電子遷移率比硅高6倍，砷化鎵成為超高速、超高頻器件和集成電路的必需品。它還被廣泛使用於軍事領域，是激光制導導彈的重要材料，曾在海灣戰爭中大顯神威，贏得“砷化鎵打敗鋼鐵”的美名。 據悉，砷化鎵單晶片的價格大約相當於同尺寸硅單晶片的20至30倍。儘管價格不菲，國際上砷化鎵半導體的年銷售額仍在10億美元以上。在“十五”計劃中，我國將實現該產品的產業化，以佔據國際市場。
主流的工業化砷化鎵生長工藝包括：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。以上方法各有優劣，除了實際工藝製備的方法，另外一種就是通過計算機來實現砷化鎵的晶體生長數值模擬，如利用FEMAG/VB能模擬VB、VGF法生長工藝，利用FEMAG/Cz能模擬CZ法生長工藝；國內北京有色金屬研究總院在晶體生長過程中的微缺陷 [3]  、以及熔體和氣流流動對晶體生長過程的影響作出了有效的計算模擬 [4]  ，對晶體生長的製備起到了技術指導的作用。

砷化鎵毒理資料

GaAs的毒性沒有被很完整的研究。因為它含有As，經研究指出，As是劇毒的。但是，因為GaAs的晶體很穩定，所以如果身體吸收了少量的GaAs，其實是可以忽略的。當要做晶圓拋光製程（磨GaAs晶圓使表面微粒變小）時，表面的區域會和水起反應，釋放或分解出少許的As。 [1] 

砷化鎵安全信息

砷化鎵安全術語

S20/21：When using do not eat, drink or smoke.
使用時，不得進食，飲水或吸煙。
S28：After contact with skin, wash immediately with plenty of ... (to be specified by the manufacturer).
皮膚接觸後，立即用大量...（由生產廠家指定）沖洗。
S45：In case of accident or if you feel unwell, seek medical advice immediately (show the lable where possible).
發生事故時或感覺不適時，立即求醫（可能時出示標籤）。
S60：This material and/or its container must be disposed of as hazardous waste.
該物質及其容器必須作為危險廢物處置。
S61：If swallowed, do not induce vomiting: seek medical advice immediately and show this container or label.
吞食後不要催吐：立即求醫並出示該容器或標籤。

砷化鎵風險術語

R23/25：Toxic by inhalation and if swallowed.
吸入和吞食是有毒的。
參考資料
  • 1.    Donald A. Neamen．半導體物理與器件（第三版）：電子工業出版社，2005：233-233
  • 2.    William Liu．Fundamentals of III-V Devices：Wiley，1999：79-79
  • 3.    劉大力,馮泉林 ．300mm Si外延片表面顆粒缺陷的研究：稀有金屬，2012
  • 4.    滕冉,戴小林．熱屏底端位置對生長300 mm硅單晶熱場影響的數值模擬：第十七屆全國半導體集成電路、硅材料學術會議，2011
  • 5.    世界衞生組織國際癌症研究機構致癌物清單 1類致癌物清單（共120種）  ．紹興市市場監督管理局[引用日期2022-07-22]
  • 6.    砷化鎵  ．化源網[引用日期2022-10-31]