砷化镓
GaAs(砷化镓)
砷化镓特性
• 由于传送讯号的射频元件需要工作频率高、 低功率消耗、低杂讯等特色，而砷化镓本 身具有光电特性与高速，因此砷化镓多用 於光电元件和高频通讯用元件。砷化镓可 应用在WLAN、WLL、光纤通讯、卫星通讯、 LMDS、VSAT等微波通讯上。
砷化镓基本属性
• 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，故要生长理想化 学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。
2. 1
LPE技术 L PE 是NELSON 在1963 年提出的一种外延 生长技术。其原理是以低熔点的金属(如Ga 、In 等) 为溶剂,以待生长材料(如GaAs、Al 等) 和掺杂剂 (如Zn、Te 、Sn 等) 为溶质,使溶质在溶剂中呈饱和 或过饱和状态,通过降温冷却使溶质从溶剂中析出, 结晶在衬底上,实现晶体的外延生长。 20 世纪70 年代初, L PE 开始用于单结GaAs 太阳电池的研制。通过在GaAs 单晶衬底上外延生 长n2GaAs、p2GaAs 和一层宽禁带Al x Ga12xAs 窗口 层,使GaAs 太阳电池效率明显提高。L PE 设备成 本较低,技术较为简单,可用于单结GaAs/ GaAs 太 阳电池的批产。 L PE 的缺点是异质界面生长无法进行、多层复 杂结构的生长难以实现和外延层参数难以精确控制 等,这限制了GaAs 太阳电池性能的进一步提高。 20 世纪90 年代初,国外已基本不再发展该技术,但 欧、俄、日等地区和国家仍保留L PE 设备,用于研制
砷化镓
LPE技术优缺点：
优点： L PE 设备成本较低,技术 较为简单,可用于单结 GaAs/ GaAs 太阳电池的 批量生产。 缺点： 是异质界面生长无法进行、 多层复杂结构的生长难以 实现和外延层参数难以精 确控制等,这限制了GaAs 太阳电池性能的进一步提 高。
20 世纪90 年代初,国外已基本不再发展该技术,但欧、俄、日 等地区和国家仍保留L PE 设备,用于研制小卫星电源。
20 世纪70 年代末,MOCVD 开始用于 研 GaAs 太阳电池。与L PE 比,MOCVD 虽 然设备成本较高,但具有不可比拟的优越性。
国外技术进展：
单结GaAs/ GaAs太阳电池
单结GaAs 太阳电池
单结GaAs/ Ge太阳电池
多结GaAs 太阳电池
双结GaAs太阳电池
三结GaAs太阳电池
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参考文献 [1 ] CHIANG P K, et al . Experimental results of Ga InP/ GaAs/ Ge triple junction cell development for space sys2 terns[ C ] . Washington DC: Proceedings of 25th IEEE PVSC , 1996 , 183～186. [2 ] KURTZ S R , MYERS D , OLSON J M. Projected per2 formance of three2and four2junction devices using GaAs and Ga InP[C] . Anaheim CA : Proceedings of 26th IEEE PVSC , 1997 , 875～878. [3 ] CROSS T A , et al . GaAs solar panels for small satelli2 ets : Performance data and technology trends[C] . Wash2 ington DC: Proceedings of 25th IEEE PVSC , 1996 , 277 ～282. [4 ] YAMAGUCHI M , KATSUMOTO S , AMANO C. A unified model for radiation2resistance of advanced space solar cells [ C ] . Hawaii : Proceedings of WCPEC21 , 1994 , 2149～2152.
砷化镓
砷化镓（GaAs）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。
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。
砷化镓材料
❖ 位错：一系列连续的点缺陷贯穿晶体某一区域,就 形成了位错。位错的存在,相当于在半导体内部形 成了一个散射通道,这将会加速半导体中载流子的 散射。如果用能带理论去描述的话,就相当于在禁 带中引入了一个捕获中心,这样会改变晶片刻蚀时 的性能效果,直接导致的后果是改变了器件的电性 能。
❖ 由有效质量的定义， ❖1/m*n =1/ ħ² ∙ d²E/dk²
❖a=dv/dt=1/ ħ ∙ d(dE/dk)/dt=f/ ħ² ∙ d²E/dk²
❖ a=f/m*n
❖
缺陷
❖点缺陷：Asᵢ(砷间隙)、AsGa（砷代镓位）、 VAs VGa、Gai及GaAi（镓代砷位），对于Ⅱ一V族半 导体中每一种元素的原子来说都可处于三种不同 的间隙位置，两种是四面体间隙，一种是六角间 隙。同一种杂质代替Ⅲ族元素的原子与代替V族 元素的原子之后的物理性质也是截然不同的。
Co, Ni等，是GaAs中主要的深受主杂质。
❖ 从图2可以看出： ❖ GaAs里的缺陷、缺陷一杂质络合物，大多数起深
受主作用;这些能级大多同砷空位(VAs)和稼空位 (VGa)相关。因此，在解决了化学杂质对材料性质 (纯度等)的控制之后，要想进一步提高GaAs的质 量，就必须抑制VAs和VGa的产生;
❖ 回旋共振 ❖ 将一块半导体样品置于均匀恒定的磁场中，设磁
感应强度为B，如半导体电子初速度为v, v与B间 夹角为Θ，则电子受到的磁场力f为
❖f=-qv x B ❖电子沿磁场方向以速度v|| =vcos Θ做匀速运动，
在垂直于B的平面内做匀速圆周运动，运动轨迹 是一螺旋线。设圆周半径为r，回旋频率为ωc则 v⊥ =r ωc ，向心加速度a= v⊥ ²/r。
砷化镓
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
原 因
大多数产品不必太快。
砷化镓含有对人类有害的砷 元素，处理增加成本。
半导体材料特性
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 电子迁移率比硅大约 7倍，故在制作微波器 件和高速数字电路方面得到重要应用。
砷化镓是制作高温、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。
载流子迁移率高，适合于做高速IC，如：飞机控制和超 高速计算机；是半绝缘的，使临近器件的漏电最小化，允 许更高的封装密度。 砷化镓 最大频率范围 最大操作温度 电子迁移率 功率损耗 材料成本 2-300 GHz 200℃ 8500 小 高 硅 <1GHz 120℃ 1450 大 低
砷化镓的单晶生产
直径GaAs单晶。其中以低位错密度的HB方法生长的
2～3英寸的导电砷化镓衬底材料为主。
Ⅲ-Ⅴ族化合 物在高温时 会发生部分 离解，因此， 在讨论它们 的相平衡关 系时，还必 须考虑蒸汽 压这一因素。
砷化镓简介
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，并且不为非氧化性的酸侵蚀。
砷化镓简介一种重要的半导体材料。
属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。
化学式GaAs，分子量144.63，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，故要生长理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。
砷化镓单晶生产技术中国掌握“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。
昨天，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。
砷化镓晶体结构
砷化镓晶体结构
砷化镓（Gallium Arsenide，GaAs）是一种常用的半导
体材料，具有广泛的应用领域，如电子器件、光电子器件、太阳能电池等。
其晶体结构是重要的基础知识，下面是对砷化镓晶体结构的详细介绍：
1. 晶体结构类型：砷化镓的晶体结构属于立方晶系，具体来说是面心立方（FCC）结构。
这意味着晶体中的原子在
立方晶格的顶点和面心位置上排列。
2. 晶格常数：砷化镓的晶格常数是基于晶体的结构参数。
对于砷化镓晶体，其晶格常数为a = 5.6535 Å，表示晶格
参数的长度单位。
3. 原子排列：在砷化镓晶体中，镓原子（Ga）和砷原子（As）以一定的方式排列。
晶体中的每个镓原子被置于一个面心立方晶格的顶点，而每个砷原子被置于相邻镓原子的面心位置上。
这种排列方式形成了一个稳定的晶体结构。
4. 结合键：砷化镓晶体中的镓原子和砷原子通过共价键相互连接。
每个镓原子与周围的四个砷原子形成共价键，每个砷原子与周围的四个镓原子形成共价键。
这种共价键的形成使得砷化镓具有良好的电子传导性能。
总结起来，砷化镓的晶体结构是面心立方（FCC）结构，其中镓原子和砷原子通过共价键相互连接。
了解砷化镓的晶体结构对于理解其物理和电子性质以及在器件制造中的应
用非常重要。
砷化镓半导体材料
砷化镓半导体材料砷化镓（Gallium Arsenide，简称GaAs）是一种重要的半导体材料，具有较高的电子迁移率和较宽的能带间隙，广泛应用于光电子器件、集成电路和微波器件等领域。
砷化镓是由镓原子和砷原子按照1:1的比例组成的化合物，具有类似于硅的晶体结构。
由于GaAs在晶体质量、材料纯度和生长工艺等方面都具有优势，因此被广泛应用于高性能电子器件的制造中。
与硅相比，砷化镓具有更好的热导率、更低的饱和漂移速度和更高的饱和电子迁移率，因此在高频和高功率应用中表现得更出色。
砷化镓材料可以通过多种方法生长，包括分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）和液相外延（LPE）等。
其中，MBE和MOCVD是目前最常用的砷化镓生长技术。
MBE是利用分子束外延设备，在真空中逐层生长砷化镓晶体，可以实现高纯度材料的生长，但生长速度较慢；MOCVD是利用金属有机前体在高温下进行化学反应生成砷化镓薄膜，生长速度较快，适合大面积的生长需求。
砷化镓材料具有很多优点，使其在许多领域得到广泛应用。
首先，砷化镓具有较高的电子迁移率，使得其在高频电子器件中能够实现较高的工作频率。
其次，砷化镓的能带间隙为1.43eV，远大于硅的1.12eV，使其具有较高的光吸收系数和较短的载流子寿命，适合于光电子器件的制造，如激光器、太阳能电池和光电二极管等。
此外，与硅相比，砷化镓在高温下的电学性能更稳定，适用于高温环境下的工作。
在光电子器件方面，砷化镓被广泛应用于激光器的制造。
砷化镓激光器具有较高的发光效率和较宽的发光波长范围，适用于光通信、光存储和光制造等领域。
此外，砷化镓也可以用于制造太阳能电池，由于其能带间隙较大，对高能光的吸收更高，可以提高太阳能电池的转换效率。
在集成电路领域，砷化镓常用于制造高电子迁移率晶体管（HEMT）和互补金属氧化物半导体（CMOS）。
HEMT是一种高频、高功率应用的场效应晶体管，具有较高的电子迁移率和较高的工作频率。
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镓
镓在地壳中的含量不算太少，约占十万分之二，比锡还多。
可是，提炼镓却比提炼锡困难得多，这是因为镓在大自然中很分散，没有形成集中的镓矿。
平时，在某些煤灰、铁矿、锑铅矿、铜矿中，含有少量镓。
镓在常温下，看上去象一块锡，如果你想把它放在手心里，它马上就熔化了，成为银亮的小珠。
原来镓的熔点很低，只有29．8℃。
镓的熔点虽然很低，可是沸点却非常高，竟高达2070℃!人们就利用镓的这个特性来制造测量高温的温度计，人们常用这种温度计来测量反应炉、原子反应堆的温度。
镓具有较好的铸造特性，由于它“热缩冷胀”，被用来制造铅字合金，使字体清晰。
在原子能工业中，用镓作为热传导介质，把反应堆中的热量传导出来。
镓与许多金属，如铋、铅、锡、镉，铟、铊等，生成熔点低于60℃的易熔合金。
其中如含铟25％的镓铟合金(熔点16℃)，含锡8％的镓锡合金(熔点20℃)，可以用在电路熔断器和各种保险装置上，温度一高，它们就会自动熔化断开，起到安全保险的作用。
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，并且不为非氧化性的酸侵蚀。
砷化镓可作半导体材料，性能比硅更优良。
它的禁带宽度大，电子迁移率高，介电常数小，能引入深能级杂质，电子有效质量小，能带结
构特殊，具有双能谷导带，可以制备发光器件、半导体激光器、微波体效应器件、太阳能电池和高速集成电路等，广泛用于雷达、电子计算机、人造卫星、宇宙飞船等尖端技术中。
GaAs拥有一些比Si还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子移动率，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会拥有较少的噪声。
也因为GaAs有较高的崩溃电压，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。
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和运用在雷射。
)
砷化镓在当代微电子和光电子产业中发挥着重要的作用，其产品50%应用在军事、航天方面，30%用于通信方面，其余用于网络设备、计算机和测试仪器。
由于砷化镓优良的高频特性，它被广泛用于制造无线通信和光通信器件，半绝缘砷化镓单晶已经成为制造大功率微波、毫米波通信器件和集成电路的主要材料。
在半导体产业的发展中，一般将硅、锗称为第一代半导体材料；将砷化镓、磷化锢、磷化镓、砷化锢、砷化铝及其合金等称为第二代半导体材料；而将宽禁带(Eg>2.3eV)的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金
刚石等称为第三代半导体材料。
上述材料是目前主要应用的半导体材料，三代半导体材料代表品种分别为硅、砷化镓和氮化镓。
砷化镓材料的电子迁移率是硅的6倍多，其器件具有硅器件所不具有的高频、高速和光电性能，并可在同一芯片同时处理光电信号，被公认是新一代的通信用材料。
随着高速信息产业的蓬勃发展，砷化镓成为继硅之后发展最快、应用最广、产量最大的半导体材料。
同时，其在军事电子系统中的应用日益广泛，并占据不可取代的重要地位。
砷化镓的国内外市场需求
目前，砷化镓单晶和抛光片处于卖方市场，4英寸和6英寸产品供不应求。
国际各大通讯厂商纷纷将砷化镓芯片产能扩大，并在全球抢购砷化镓抛光片与外延片。
根据硅谷Strategies公司的测算，2005年全球基于砷化镓材料的无线通信器件市场需求为25亿美元，其中砷化镓抛光片与外延片的需求为10亿美元，年增长率达到30％。
砷化镓的国内外生产情况
国外情况
美国主要产商M/A-COM,RFMD,Raytheon,Anadigics, Conexant；欧洲主要产商Infineon and Filtronics；日本主要公司Matsushita, Mitsubishi, NEC and Fujitsu；韩国主要公司CTI, Eoncom, Telfron, ASB, Knowledge-On, FCI, Neosemtek, KMK Tech等，都纷纷积极寻求成本低的代工制造商。
国内情况
总投资2500万美元的中科晶电公司，目前已经形成月产2—3英
寸砷化镓晶片5万片，4—6英寸砷化镓晶片5000片的产能，扩产后预计月产达到2—3寸砷化镓晶片10万片，4—6英寸砷化镓晶片5万片。
国芯半导体公司投资2980万美元的4英寸砷化镓化合物半导体芯片工业生产线是我国首条砷化镓芯片工业生产线，年生产能力为4.2万片。
佳昌科技计划项目总投资21936万元，年生产能力为5万片6英寸砷化镓单晶片，产值1.5亿美元，利税6300万美元。
砷化镓产业特点
一是环保无污染；二是属于受扶持高科技产业；三是利润税收高；四是市场前景好。
技术：属成熟技术。
GaAs生产方式有别于传统的硅晶圆生产方式，GaAs生产需要采用磊晶技术，这种磊晶圆的直径通常为4―6英寸，比硅晶圆的12英寸要小得多，因此，制备其磊晶圆需要特别的机台。
目前，常用于GaAs 制备的技术有几种，主要有LPE和MOVPE等。