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砷化镓

  砷化镓(gallium arsenide),化学式 GaAs。黑灰色固体,熔点1238℃。它在600℃以下,能在空气中稳定存在,并且不被非氧化性的酸侵蚀。

  砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体。属闪锌矿型晶格结构,晶格常数5.65×10-10m,熔点1237℃,禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5~6倍,故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外,还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中,兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小,导热性差,不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能,但由于它在高温下分解,故要生产理想化学配比的高纯的单晶材料,技术上要求比较高。

  材料优点

  GaAs拥有一些较Si还要好的电子特性,使得GaAs可以用在高于250 GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时,GaAs会产生较少的噪音。也因为GaAs有较高的崩溃压,所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性,GaAs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。GaAs曾用来做成甘恩二极管、微波二极管和耿氏二极管)以发射微波。

  GaAs的的另一个优点:它是直接能隙的材料,所以可以用来发光。而Si是间接能隙的材料,只能发射非常微弱的光。(但是,最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在镭射。)

  技术工艺

  中国掌握“半导体贵族”砷化镓单晶生产技术

  作为第二代半导体,砷化镓单晶因其价格昂贵而素有“半导体贵族”之称。2001年7月31日,中国科学家宣布已掌握一种生产这种材料的新技术,使中国成为继日本、德国之后掌握这一技术的又一国家。 北京有色金属研究总院宣布,国内成功拉制出了第一根直径4英寸的VCZ半绝缘砷化镓单晶。

  据专家介绍,砷化镓可在一块芯片上同时处理光电数据,因而被广泛应用于遥控、手机、DVD计算机外设、照明等诸多光电子领域。另外,因其电子迁移率比硅高6倍,砷化镓成为超高速、超高频器件和集成电路的必需品。它还被广泛使用于军事领域,是激光制导导弹的重要材料,曾在海湾战争中大显神威,赢得“砷化镓打败钢铁”的美名。 据悉,砷化镓单晶片的价格大约相当于同尺寸硅单晶片的20至30倍。尽管价格不菲,目前国际上砷化镓半导体的年销售额仍在10亿美元以上。在“十五”计划中,我国将实现该产品的产业化,以占据国际市场。

  主流的工业化砷化镓生长工艺包括: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。以上方法各有优劣,除了实际工艺制备的方法,另外一种就是通过计算机来实现砷化镓的晶体生长数值模拟,如利用FEMAG/VB能模拟VB、VGF法生长工艺,利用FEMAG/Cz能模拟CZ法生长工艺;国内北京有色金属研究总院在晶体生长过程中的微缺陷、以及熔体和气流流动对晶体生长过程的影响作出了有效的计算模拟,对晶体生长的制备起到了技术指导的作用。
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