<p><b>砷化鎵</b>（化學式：<b>GaAs</b>）是鎵和砷兩種元素所合成的化合物，也是重要的IIIA族、VA族化合物半導體材料，用來製作微波積體電路、紅外線發光二極體、半導體雷射器和太陽電池等元件。
</p><p>GaAs化合物半導體特別適合應用於無線通信中的高頻傳輸領域，現在越來越多被應用於射頻前端元件，這是因為GaAs化合物半導體電子移動率比傳統的矽快，且具有抗干擾、低雜訊與耐高電壓、耐高溫與高頻使用等特性，在4G與5G時代有高度需求。</p>


<h2><span id=".E6.80.A7.E8.B4.A8"></span><span id="性质">性質</span></h2>
<p>砷化鎵是重要的化合物半導體材料，外觀呈亮灰色，具金屬光澤、性脆而硬。常溫下比較穩定。加熱到873K時，外表開始生成氧化物形成氧化膜包腹。常溫下，砷化鎵不與鹽酸、硫酸、氫氟酸等反應，但能與濃硝酸反應，也能與熱的鹽酸和硫酸作用。
</p>
<h2><span id=".E5.88.B6.E5.A4.87"></span><span id="制备">製備</span></h2>
<p>砷化鎵天然存量稀少，通常採用鎵和砷直接化合的方法，其中水平區域熔煉法是普遍採用的方法。通過區域提純便可獲得單晶。
採用間接的方法也可獲得砷化鎵。如<span data-orig-title="一氯化镓" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Gallium chloride"><span>一氯化鎵</span></span>用砷蒸氣還原來製備砷化鎵；<span data-orig-title="三甲基鎵" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="trimethylgallium"><span>Ga(CH<sub>3</sub>)<sub>3</sub></span></span>和AsH<sub>3</sub>在一定溫度下，發生熱分解得到砷化鎵。
</p>
<dl><dd>4GaCl + 2H<sub>2</sub> + As<sub>4</sub> → 4GaAs + 4HCl</dd>
<dd>Ga(CH<sub>3</sub>)<sub>3</sub> + AsH<sub>3</sub> → GaAs + 3CH<sub>4</sub></dd></dl><h2><span id=".E6.87.89.E7.94.A8"></span><span id="應用">應用</span></h2>
<h3><span id=".E7.A0.B7.E5.8C.96.E9.8E.B5.E7.9A.84.E5.84.AA.E9.BB.9E"></span><span id="砷化鎵的優點">砷化鎵的優點</span></h3>
<ul><li>電子物理特性
<dl><dd>砷化鎵擁有一些比矽還要好的電子特性，如較高的<span data-orig-title="飽和電子速率" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Saturation velocity"><span>飽和電子速率</span></span>及電子移動率，使得砷化鎵可以應用於高於250 GHz的場合。如果等效的砷化鎵和Si元件同時都操作在高頻時，砷化鎵會擁有較少的雜訊。也因為砷化鎵有較高的崩潰電壓，所以砷化鎵比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性，砷化鎵電路可以運用在行動電話、衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。砷化鎵曾用來做成Gunn diode（中文翻做「甘恩二極體」或「微波二極體」，中國大陸地區叫做「耿氏二極體」）以發射微波。現今以矽為基材而製成的RFCMOS雖可達到高操作頻率及高整合度，但其先天物理上缺點如崩潰電壓較低、基板於高頻環境易損耗、訊號隔離度不佳、低輸出功率密度等，使其在功率放大器及射頻開關應用上始終難以跟砷化鎵匹敵。</dd></dl></li>
<li>能隙
<dl><dd>砷化鎵的另一個優點是<span data-orig-title="直接能隙" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Direct and indirect band gaps"><span>直接能隙</span></span>的材料，所以可以應用在發光裝置上。而矽是<span data-orig-title="間接能隙" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Indirect bandgap"><span>間接能隙</span></span>的材料，發出的光非常微弱。最近的技術已可用矽做成LED和運用在雷射領域，可是發光效率仍不甚理想。</dd></dl></li>
<li>切換速度
<dl><dd>因為砷化鎵的切換速度快，所以被認為是半導體的理想材料。1980年代時，大眾普遍認為微電子市場的主力材料將從矽換成砷化鎵，首先試著嘗試切換材料的有超級電腦之供應商克雷公司、<span data-orig-title="Convex電腦公司" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Convex Computer"><span>Convex電腦公司</span></span>及<span data-orig-title="Alliant電腦系統公司" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Alliant Computer Systems"><span>Alliant電腦系統公司</span></span>，這些公司都試著要搶下CMOS微處理器技術的領導地位。Cray公司最後終於在1990年代早期建造了一台砷化鎵為基礎的機器，叫<span data-orig-title="Cray-3" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Cray-3"><span>Cray-3</span></span>。但這項成就還沒有被充分地運用，公司就在1995年破產了，於1996年被視算科技收購；經種種難關，在2000年後原名復活。</dd></dl></li>
<li>抗天然輻射
<dl><dd>砷化鎵比矽更不會受到自然輻射的干擾，不易產生錯誤訊號。</dd></dl></li></ul><h3><span id=".E7.9F.BD.E7.9A.84.E5.84.AA.E9.BB.9E"></span><span id="矽的優點">矽的優點</span></h3>
<ul><li>地球表面有大量可提煉出矽的原料－矽酸鹽礦，所以與砷化鎵相比，提煉成本較低。矽基材的製程在業界已進入量產期許久，製造成本低廉；且矽也有較好的物理應力，可製成大尺寸的晶圓，進一步降低生產成本。矽工業已發展到規模經濟（透過高產能以降低單位成本）的階段，更降低了業界使用砷化鎵的誘因。</li>
<li>矽來源多且很容易轉換成二氧化矽（在電子元件中是優良絕緣體），而二氧化矽可以輕易地被整合到矽電路中，且兩者擁有很好的界面特性。反觀，砷化鎵很難產生一層穩定且堅固附著在砷化鎵上的絕緣層。</li>
<li>矽擁有很高的電洞移動率，在需要CMOS邏輯時，高電洞率可以達成高速的P-通道場效應電晶體。如果需要快速的CMOS結構，雖然砷化鎵的電子移動率快，但因為功率消耗高，所以砷化鎵電路較難被整合到矽電路內。</li></ul><h3><span id=".E7.A0.B7.E5.8C.96.E9.8E.B5.E7.9A.84.E7.95.B0.E8.B3.AA.E7.B5.90.E6.A7.8B"></span><span id="砷化鎵的異質結構">砷化鎵的異質結構</span></h3>
<p>因為砷化鎵和砷化鋁（AlAs）的晶格常數幾乎一樣，可以利用分子束磊晶（molecular beam epitaxy, MBE）或有機金屬氣相磊晶 （metal-organic vapour phase epitaxy，MOVPE，也稱做有機金屬化學氣相沉積法），在砷化鎵上輕易地形成異質的結構，生長出砷化鋁或<span data-orig-title="砷化鋁鎵" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="Aluminium gallium arsenide"><span>砷化鋁鎵</span></span>（Al<sub>x</sub>Ga<sub>1-x</sub>As）合金；且因為生長出的合金層應力小，所以幾乎可以任意調整生長厚度。
</p><p>砷化鎵的另一個重要應用是高效率的太陽電池。1970年時，Zhores Alferov和他的團隊在蘇聯做出第一個砷化鎵異質結構的太陽電池。用砷化鎵、Ge和InGaP三種材料做成的三接面太陽電池有32%以上的效率，且可以操作在2,000 suns下的劇烈強光。這種太陽電池曾運用在美國NASA探測火星表面的機器人精神號漫遊者（Spirit Rover）和機會號漫遊者（Opportunity Rover），且許多太空載具的太陽電池板陣列都是出於砷化鎵。
</p><p>利用布里奇曼-史托巴格法（<span lang="en">Bridgman–Stockbarger technique</span>）可以製造出砷化鎵的單晶，因為砷化鎵的力學特性，所以柴可拉斯基法（<span lang="en">Czochralski process</span>）很難運用在砷化鎵材料的製作。
</p>
<h2><span id=".E5.AE.89.E5.85.A8"></span><span id="安全">安全</span></h2>
<p>砷化鎵的毒性至今仍沒有被很完整的研究。因為它含有砷，經研究指出，砷是有毒的，也是一種致癌物質。但因為砷化鎵的晶體很穩定，所以如果身體吸收了少量，其實是可以忽略的<small>（指「短時間」，長時間仍有累積成生物毒性，需要不定期體檢）</small>。當要做晶圓拋光製程（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砷。就環境、健康和安全等方面來看砷化鎵（就像是<span data-orig-title="三甲基鎵" data-lang-code="en" data-lang-name="英語" data-foreign-title="trimethylgallium"><span>三甲基鎵</span></span>和砷）時，及有機金屬前驅物的工業衛生監控研究，都最近指出以上的觀點。</p>
<h2><span id=".E5.8F.83.E8.80.83.E6.96.87.E7.8D.BB"></span><span id="參考文獻">參考文獻</span></h2>
<dl><dt>腳注</dt></dl>
<dl><dt>引用</dt></dl>
<p><br></p>
<h2><span id=".E7.9B.B8.E9.97.9C"></span><span id="相關">相關</span></h2>
<dl><dt>相關技術</dt></dl><ul><li>電子學</li>
<li>場效應電晶體</li>
<li>異質結構射極雙極性電晶體</li>
<li>積體電路</li>
<li>半導體</li>
<li>半導體元件</li>
<li>太陽電池</li>
<li>磁性半導體</li></ul><dl><dt>相關材料</dt></dl><ul><li>砷化鋁</li>
<li>砷化銦</li>
<li>銻化鎵</li>
<li>磷化鎵</li>
<li>砷化鋁鎵</li>
<li>砷化銦鎵</li>
<li>磷砷化鎵</li>
<li>氮化鎵</li>
<li>MOVPE</li>
<li>三甲基鎵</li>
<li>砷化氫</li>
<li>氯化氫</li></ul><dl><dt>騙局</dt></dl><ul><li>博達科技掏空案</li></ul><h2><span id=".E5.A4.96.E9.83.A8.E9.80.A3.E7.B5.90"></span><span id="外部連結">外部連結</span></h2>
<ul><li>Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）</li>
<li>Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）</li>
<li>Facts and figures on processing Gallium Arsenide</li>
<li>Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）</li></ul><!-- 
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**砷化鎵**（化學式：**GaAs**）是鎵和砷兩種元素所合成的化合物，也是重要的 IIIA 族、VA 族化合物半導體材料，用來製作微波積體電路、紅外線發光二極體、半導體雷射器和太陽電池等元件。

GaAs 化合物半導體特別適合應用於無線通信中的高頻傳輸領域，現在越來越多被應用於射頻前端元件，這是因為 GaAs 化合物半導體電子移動率比傳統的矽快，且具有抗干擾、低雜訊與耐高電壓、耐高溫與高頻使用等特性，在 4G 與 5G 時代有高度需求。

## 性質

砷化鎵是重要的化合物半導體材料，外觀呈亮灰色，具金屬光澤、性脆而硬。常溫下比較穩定。加熱到 873K 時，外表開始生成氧化物形成氧化膜包腹。常溫下，砷化鎵不與鹽酸、硫酸、氫氟酸等反應，但能與濃硝酸反應，也能與熱的鹽酸和硫酸作用。

## 製備

砷化鎵天然存量稀少，通常採用鎵和砷直接化合的方法，其中水平區域熔煉法是普遍採用的方法。通過區域提純便可獲得單晶。
採用間接的方法也可獲得砷化鎵。如一氯化鎵用砷蒸氣還原來製備砷化鎵；Ga(CH3)3 和 AsH3 在一定溫度下，發生熱分解得到砷化鎵。

　
: 4GaCl + 2H2 + As4 → 4GaAs + 4HCl

　
: Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4

## 應用

### 砷化鎵的優點

* 電子物理特性

　
: 砷化鎵擁有一些比矽還要好的電子特性，如較高的飽和電子速率及電子移動率，使得砷化鎵可以應用於高於 250 GHz 的場合。如果等效的砷化鎵和 Si 元件同時都操作在高頻時，砷化鎵會擁有較少的雜訊。也因為砷化鎵有較高的崩潰電壓，所以砷化鎵比同樣的 Si 元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性，砷化鎵電路可以運用在行動電話、衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。砷化鎵曾用來做成 Gunn diode（中文翻做「甘恩二極體」或「微波二極體」，中國大陸地區叫做「耿氏二極體」）以發射微波。現今以矽為基材而製成的 RFCMOS 雖可達到高操作頻率及高整合度，但其先天物理上缺點如崩潰電壓較低、基板於高頻環境易損耗、訊號隔離度不佳、低輸出功率密度等，使其在功率放大器及射頻開關應用上始終難以跟砷化鎵匹敵。
* 能隙

　
: 砷化鎵的另一個優點是直接能隙的材料，所以可以應用在發光裝置上。而矽是間接能隙的材料，發出的光非常微弱。最近的技術已可用矽做成 LED 和運用在雷射領域，可是發光效率仍不甚理想。
* 切換速度

　
: 因為砷化鎵的切換速度快，所以被認為是半導體的理想材料。1980 年代時，大眾普遍認為微電子市場的主力材料將從矽換成砷化鎵，首先試著嘗試切換材料的有超級電腦之供應商克雷公司、Convex 電腦公司及 Alliant 電腦系統公司，這些公司都試著要搶下 CMOS 微處理器技術的領導地位。Cray 公司最後終於在 1990 年代早期建造了一台砷化鎵為基礎的機器，叫 Cray-3。但這項成就還沒有被充分地運用，公司就在 1995 年破產了，於 1996 年被視算科技收購；經種種難關，在 2000 年後原名復活。
* 抗天然輻射

　
: 砷化鎵比矽更不會受到自然輻射的干擾，不易產生錯誤訊號。

### 矽的優點

* 地球表面有大量可提煉出矽的原料－矽酸鹽礦，所以與砷化鎵相比，提煉成本較低。矽基材的製程在業界已進入量產期許久，製造成本低廉；且矽也有較好的物理應力，可製成大尺寸的晶圓，進一步降低生產成本。矽工業已發展到規模經濟（透過高產能以降低單位成本）的階段，更降低了業界使用砷化鎵的誘因。
* 矽來源多且很容易轉換成二氧化矽（在電子元件中是優良絕緣體），而二氧化矽可以輕易地被整合到矽電路中，且兩者擁有很好的界面特性。反觀，砷化鎵很難產生一層穩定且堅固附著在砷化鎵上的絕緣層。
* 矽擁有很高的電洞移動率，在需要 CMOS 邏輯時，高電洞率可以達成高速的 P - 通道場效應電晶體。如果需要快速的 CMOS 結構，雖然砷化鎵的電子移動率快，但因為功率消耗高，所以砷化鎵電路較難被整合到矽電路內。

### 砷化鎵的異質結構

因為砷化鎵和砷化鋁（AlAs）的晶格常數幾乎一樣，可以利用分子束磊晶（molecular beam epitaxy, MBE）或有機金屬氣相磊晶 （metal-organic vapour phase epitaxy，MOVPE，也稱做有機金屬化學氣相沉積法），在砷化鎵上輕易地形成異質的結構，生長出砷化鋁或砷化鋁鎵（AlxGa1-xAs）合金；且因為生長出的合金層應力小，所以幾乎可以任意調整生長厚度。

砷化鎵的另一個重要應用是高效率的太陽電池。1970 年時，Zhores Alferov 和他的團隊在蘇聯做出第一個砷化鎵異質結構的太陽電池。用砷化鎵、Ge 和 InGaP 三種材料做成的三接面太陽電池有 32% 以上的效率，且可以操作在 2,000 suns 下的劇烈強光。這種太陽電池曾運用在美國 NASA 探測火星表面的機器人精神號漫遊者（Spirit Rover）和機會號漫遊者（Opportunity Rover），且許多太空載具的太陽電池板陣列都是出於砷化鎵。

利用布里奇曼 - 史托巴格法（Bridgman–Stockbarger technique）可以製造出砷化鎵的單晶，因為砷化鎵的力學特性，所以柴可拉斯基法（Czochralski process）很難運用在砷化鎵材料的製作。

## 安全

砷化鎵的毒性至今仍沒有被很完整的研究。因為它含有砷，經研究指出，砷是有毒的，也是一種致癌物質。但因為砷化鎵的晶體很穩定，所以如果身體吸收了少量，其實是可以忽略的（指「短時間」，長時間仍有累積成生物毒性，需要不定期體檢）。當要做晶圓拋光製程（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砷。就環境、健康和安全等方面來看砷化鎵（就像是三甲基鎵和砷）時，及有機金屬前驅物的工業衛生監控研究，都最近指出以上的觀點。

## 參考文獻

**腳注**

**引用**

 

## 相關

**相關技術**

* 電子學
* 場效應電晶體
* 異質結構射極雙極性電晶體
* 積體電路
* 半導體
* 半導體元件
* 太陽電池
* 磁性半導體

**相關材料**

* 砷化鋁
* 砷化銦
* 銻化鎵
* 磷化鎵
* 砷化鋁鎵
* 砷化銦鎵
* 磷砷化鎵
* 氮化鎵
* MOVPE
* 三甲基鎵
* 砷化氫
* 氯化氫

**騙局**

* 博達科技掏空案

## 外部連結

* Case Studies in Environmental Medicine: Arsenic Toxicity （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Extensive site on the physical properties of Gallium arsenide （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
* Facts and figures on processing Gallium Arsenide
* Semiconductor Today: Online resource covering compound semiconductors and advanced silicon materials and devices （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）
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