砷化镓性质、用途与生产工艺
砷化镓，化学式GaAs。分子量144.64。深灰色立方晶体。比重5.4。熔点1，238℃。属Ⅲ、Ⅴ族化合物半导体，禁带宽度和电子迁移率比元素半导体锗及硅的大，制成的器件有较好的耐高温特性及频率特性; 发光特性好及光电转换率高。高于600℃时被空气氧化，无氧化剂存在时仅被酸缓慢地侵蚀。由镓和砷在高温及一定的砷蒸气压下合成。砷化镓可用于制作变容二极管、场效应管、发光二极管，以及太阳能电池、微波发生器和半导体激光器等。
砷化镓被誉为“半导体贵族”，是VCSEL、EEL等光电子产品的基板材料和衬底材料，也是雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等高新产品中不可或缺的材料。
目前，全球砷化镓单晶市场规模体量偏小但增长速率较快。据统计，2013年全球砷化镓单晶市场规模仅1.98亿美元，至2018年，砷化镓单晶市场规模达4.59亿美元，年均复合增长率达到18.31%。
砷化镓是最重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，其晶格结构为闪锌矿型，晶格常数为5.65A，其解理面为{110}面，原子间的结合以共价键为主，伴有明显的离子键成分. 在<111>方向上有极性，由于极性的存在使砷化镓的腐蚀和晶体生长速率都要受到影响。
砷化镓禁带宽度大，为1.43eV，电子迁移率高达8800cm2/V·s，少数载流子寿命短，因而它是制作高温、高频、抗辐射和低噪声器件的良好材料. 特别是它的能带具有双能谷结构，又属于直接带隙材料，故可制作体效应器件，高效激光器和红外光源. 砷化镓还可用来制作雪崩二极管、场效应晶体管、变容二极管、势垒二极管等微波器件和太阳电池等。与锗、硅相比，砷化镓具有更高的电子迁移率，因此它是制作高速计算机用集成电路的重要材料。
砷化镓的熔点较高(1237℃)，其中的砷易挥发，因而从熔体中生长砷化镓晶体时要适当控制生长室的砷压以防止砷的逸出. 在高压单晶炉中采用三氧化二硼液体密封法和水平Bridgman法都可生长出较大直径的砷化镓单晶. 砷化镓中杂质和缺陷的性质比较复杂，它的纯度和晶体完整性仍有不少问题需要深入研究。
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砷化镓是继锗和硅之后的所谓第三代半导体。20世纪50年代开始研究其性质。1970年前后多种砷化镓器件的生产工艺渐趋成熟，产品已商品化。作为半导体砷化镓的性能胜过锗，还具有一些比硅好的性能(如电子迁移率高)，其器件比硅器件动作速度快，广泛用于雷达、导弹、计算机、人造卫星、宇宙飞船、导航设备、遥测系统等尖端技术。用砷化镓激光器制成的激光雷达，因用光波代替无线电波，作用距离、测距精度等都明显提高，且受干扰的因素减少。常用的砷化镓激光二极管，体积只有1立方毫米，用于制造哨兵通话、侦察、夜间监视和警戒等用的仪器。砷化镓场效应晶体管噪音低、增益高，用于微波通信线路、雷达接收器，能改善微波系统性能并降低成本。用砷化镓制造的甘氏振荡器尺寸为毫米级，要求电压低，使用寿命超过 1万小时，已用于应答器、雷达、导航信标等方面。
砷化镓和磷化镓是具有电致发光性能的半导体。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”。在不便敷设电缆的地方或原有通信线路发生障碍时，可用光电话通信，如在远洋船舶间或飞机间通话使用。光电话应用的最突出实例是地面控制站与宇宙火箭在大气层中加速或制动这段时间内的联系。那时火箭周围的空气因加热和离子化而形成无线电波不能透过的屏障，这时只能以光波道获取信息。砷化镓太阳能电池的转换率比硅太阳能电池高，而且能在高得多的温度下提供有效的功率输出，耐辐射性能优异。目前一些国家正在着手研究的这种新型太阳能电池，有可能取代硅太阳能电池而成为人造卫星、宇宙飞船、空间站及其他航天飞行器的主要电源。中国上海研制的高效砷化镓太阳能电池在1988年首次成功地进行了卫星标定，电池光电转换系数效率为15.8%，绕地球飞行1个月，标定误差0.24%，高于国际上同类产品在航天飞机上1984年的标定水平，使我国成为世界上取得高效率砷化镓太阳电池空间标定实验成功的极少数国家之一。
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砷化镓单晶的导带为双能谷结构，其最低能谷位于第一布里渊区中心，电子有效质量是0.068m0 (m0为电子质量，见载流子)，次低能谷位于<111>方向的L点，较最低能谷约高出0.29eV，其电子有效质量为0.55m0，价带顶约位于布里渊区中心，价带中轻空穴和重空穴的有效质量分别为0.082m0和0.45m0。较纯砷化镓晶体的电子和空穴迁移率分别为8000cm2/(V·s)和100～300cm2/(V·s)，少数载流子寿命为10-2～10-3μs。在其中掺入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可获得N型半导体，掺入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半导体，掺入Cr或提高纯度可制成电阻率高达107～108Ω·cm的半绝缘材料。由于GaAs具有很高的电子迁移率，故可用于制备高速或微波半导体器件。砷化镓还用于制作耐高温、抗辐照或低噪声器件，以及近红外发光和激光器件，也用于作光电阴极材料等。更重要的是它将成为今后发展超高速半导体集成电路的基础材料。制备GaAs单晶的方法有区熔法和液封直拉法。用扩散、离子注入、气相或液相外延及蒸发等方法可制成PN结、异质结、肖特基结和欧姆接触等。近十余年来，由于分子束外延和金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术的发展，可在GaAs单晶衬底上制备异质结和超晶格结构，已用这些结构制成了新型半导体器件如高电子迁移率晶体管(HEMT)、异质结双极型晶体管(HBT)及激光器等，为GaAs材料的应用开发了更广阔的前景。
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
采用气相沉积或液相沉积等方法，使镓、砷源或其衍生物在以砷化镓或其他材料为衬底的表面上生长砷化镓或其他材料的单晶薄膜，统称为砷化镓外延材料。衬底和外延层如由同一种材料构成的则称为同质结外延层，如由不同材料构成则称为异质结外延层。外延材料可以是单层结构，也可以是多层结构。外延材料的制备方法主要有气相外延法和液相外延法。随着技术进步和应用的扩大，为适应宽禁带、多元化合物、量子阱和超晶格结构等器件制造的需要，大力探索和开发金属有机物气相沉积和分子束外延等新技术得到迅速发展。
气相外延法：通过气相输运和气相反应来实现薄膜生长的一种工艺过程。通常采用氯化物法和氢化物法生长砷化镓外延层，Ga-AsCl3-H2已成为氯化物法的代表工艺，其特点是易于实现高纯生长。1970年美国麻省理工学院华尔夫(Walf)得到砷化镓气相外延层的电子浓度和电子迁移率为n77k＝7×1013cm-3和μ77k＝2.1×105cm2/(V·s)。
液相外延法：在一定温度下的砷化镓饱和溶液，通过降温使溶液过饱和，则在砷化镓衬底上按一定的晶向生长砷化镓薄膜。据1969年的报道结果是：77K时的电子浓度和电子迁移率为n77k＝7.6×1012cm-3、μ77k＝1.75×105cm2/(V·s)。
金属有机化合物气相沉积法：用氢气把三甲基镓或三乙基镓和砷烷一起输送到反应区，经分解和相互作用，在砷化镓衬底沉积砷化镓薄膜的方法。其优点是改变原料气体的种类和浓度，容易控制生长晶体薄膜的组分和各种特性。
分子束外延法：将热分子束和原子束流在超高真空中入射到砷化镓衬底的表面上，由于相互作用而生长具有原子层级的砷化镓超薄层外延材料。其主要优点是可以生长出原子层水平的超薄层单晶膜，可严格控制膜层的厚度、组分和结构，还可用组分渐变层或应变超晶格结构来消除由于晶格失配而造成的位错，因此该法非常适合于制作光电器件、微波器件、量子阱和超晶格结构材料。
由于GaAs具有很高的电子迁移率，故可用于制备高速或微波半导体器件。砷化镓还用于制作耐高温、抗辐照或低噪声器件，以及近红外发光和激光器件，也用于作光电阴极材料等。更重要的是它将成为今后发展超高速半导体集成电路的基础材料。
用途
用作半导体材料
类别
有毒物品
毒性分级
中毒
急性毒性
腹腔-大鼠LD30: 10000 毫克/公斤; 腹腔-小鼠LD50: 4700 毫克/公斤
可燃性危险特性
可燃;燃烧产生有毒砷化物烟雾
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
职业标准
CL 0.002 (砷)/立方米/15分
砷化镓
上下游产品信息
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