簡介
砷化鎵
一種重要的半導體材料。屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體。化學式GaAs，分子量144.63，屬閃鋅礦型晶格結構，晶格常數5.65×10-10m，熔點1237℃，禁頻寬度1.4電子伏。砷化鎵於1964年進入實用階段。砷化鎵可以製成電阻率比矽、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料,用來製作積體電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。由於其電子遷移率比矽大5～6倍，故在製作微波器件和高速數字電路方面得到重要套用。用砷化鎵製成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、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體的放大倍數小，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，但由於它在高溫下分解，故要生長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ChemKooIDCK00354084
產品名稱;砷化鎵
產品別名；砷化鎵;砷化鎵,99.999%(METALSBASIS)
英文名稱;GALLIUMARSENIDE
英文別名；galliumarsenide(gaas);galliumarsenide[gaas];galliummonoarsenide;GALLIUMARSENIDE;Galliumarsenide(99.9999%Ga)PURATREM25mmanddownpolycrystallinepieces;Galliumarsenidewafer;Galliumarsenidemmanddownpolycrystallinepieces;GALLIUMARSENIDE,SINGLECRYSTALSUBSTR&
分子式：AsGa
分子量：144.64CAS
登錄號：1303-00-0EINECS
登錄號：215-114-8
砷化鎵物理化學性質
熔點：1238°C
密度：5.31g/mLat25°C(lit.)
Merck：14,4347
外觀：pieces
砷化鎵砷化鎵安全數據
安全說明S20/21;S28;S45;S60;S61
危險類別碼R23/25;R50/53
危險品運輸編號UN15576.1/PG2
HazardClass： 6.1
PackingGroup： II
TSCA：Yes
F： 10
RTECS號： LW8800000
WGKGermany：3
砷化鎵節能燈砷化鎵套用、合成及其它
毒性分級
中毒
砷化鎵急性毒性
腹腔-大鼠LD30:10000毫克/公斤;腹腔-小鼠LD50:4700毫克/公斤
可燃性危險特性
可燃;燃燒產生有毒砷化物煙霧
儲運特性
庫房通風低溫乾燥
滅火劑
乾粉、泡沫、砂土、二氧化碳,霧狀水
職業標準
CL0.002(砷)/立方米/15分
用途
用作半導體材料
類別
有毒物品
砷化鎵基本屬性
| 規格 | 砷化鎵 |
| 傳輸範圍(微米) | 1.0-22 |
| 折射指數@，10微米 | 3.277 |
| 折射指數的溫度係數@，10.6微米 | 149x10/度 |
| 體積吸收係數@，10微米/厘米 | <0.01 |
| 熔點，度 | 1600 |
| 硬度(努普)，千克/平方毫米 | 750 |
| 密度，克/立方厘米 | 5.37 |
| 斷裂模數,兆帕 | 13.8 |
| 楊式彈性模數,千兆帕 | 8.3 |
砷化鎵單晶生產技術
砷化鎵聚焦鏡中國掌握“半導體貴族”砷化鎵單晶生產技術
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。中國科學家宣布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布，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，砷化鎵可在一塊晶片上同時處理光電數據，因而被廣泛套用於遙控、手機、DVD計算機外設、照明等諸多光電子領域。另外，因其電子遷移率比矽高6倍，砷化鎵成為超高速、超高頻器件和積體電路的必需品。它還被廣泛使用於軍事領域，是雷射制導飛彈的重要材料，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矽單晶片的20至30倍。儘管價格不菲，目前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”計畫中，我國將實現該產品的產業化，以占據國際市場。
砷化鎵晶片發展前景
2010年5月，新一期英國《自然》雜誌報告說，美國研究人員研發出一種可批量生產砷化鎵晶片的技術，克服了成本上的瓶頸，從而使砷化鎵這種感光性能比矽更優良的材料有望大規模用於半導體和太陽能相關產業。
美國伊利諾伊大學等機構研究人員報告說，他們開發出的新技術可以生成由砷化鎵和砷化鋁交疊的多層晶體，然後利用化學物質使砷化鎵層分離出來，可同時生成多層砷化鎵晶片，大大降低了成本。這些砷化鎵晶片可以像“蓋章”那樣安裝到玻璃或塑膠等材料表面，然後可使用已有技術進行蝕刻，根據需要製造半導體電路或太陽能電池板。
不過，該技術目前還只能用於批量生產較小的砷化鎵晶片，如邊長500微米的太陽能電池單元。下一步研究將致力於利用新技術批量生產更大的砷化鎵晶片。
砷化鎵太陽能電池
砷化鎵電池中文名稱：砷化鎵太陽能電池
英文名稱：galliumarsenidesolarcell
定義：以砷化鎵為基體材料的太陽能電池。
所屬學科：電力（一級學科）；可再生能源（二級學科）
一、砷化鎵電池基本介紹
近年來，太陽能光伏發電在全球取得長足發展。常用光伏電池一般為多晶矽和單晶矽電池，然而由於原材料多晶矽的供應能力有限，加上國際炒家的炒作，導致國際市場上多晶矽價格一路攀升，最近一年來，由於受經濟危機影響，價格有所下跌，但這種震盪的現狀給光伏產業的健康發展帶來困難。目前，技術上解決這一困難的途徑有兩條：一是採用薄膜太陽電池，二是採用聚光太陽電池，減小對原料在量上的依賴程度。常用薄膜電池轉化率較低，因此新型的高倍聚光電池系統受到研究者的重視。聚光太陽電池是用凸透鏡或拋物面鏡把太陽光聚焦到幾倍、幾十倍，或幾百倍甚至上千倍，然後投射到太陽電池上。這時太陽電池可能產生出相應倍數的電功率。它們具有轉化率高，電池占地面積小和耗材少的優點。高倍聚光電池具有代表性的是砷化鎵（GaAs）太陽電池。
GaAs屬於III-V族化合物半導體材料，其能隙與太陽光譜的匹配較適合，且能耐高。與矽太陽電池相比，GaAs太陽電池具有較好的性能。
二、砷化鎵電池與矽光電池的比較
1、光電轉化率：
砷化鎵的禁帶較矽為寬，使得它的光譜回響性和空間太陽光譜匹配能力較矽好。目前，矽電池的理論效率大概為23％，而單結的砷化鎵電池理論效率達到27％，而多結的砷化鎵電池理論效率更超過50％。
2、耐性
常規上，砷化鎵電池的耐性要好於矽光電池，有實驗數據表明，砷化鎵電池在250℃的條件下仍可以正常工作，但是矽光電池在200℃就已經無法正常運行。
3、機械強度和比重
砷化鎵較矽質在物理性質上要更脆，這一點使得其加工時比容易碎裂，所以，目前常把其製成薄膜，並使用襯底（常為Ge[鍺]），來對抗其在這一方面的不利，但是也增加了技術的複雜度。
三、砷化鎵電池的技術發展現狀
1、歷程
GaAs太陽電池的發展是從上世紀50年代開始的，至今已有已有50多年的歷史。1954年世界上首次發現GaAs材料具有光伏效應。在1956年，LoferskiJ.J.和他的團隊探討了製造太陽電池的最佳材料的物性，他們指出Eg在1.2～1.6eV範圍內的材料具有最高的轉換效率。（GaAs材料的Eg=1.43eV，在上述高效率範圍內，理論上估算，GaAs單結太陽電池的效率可達27％）。20世紀60年代，Gobat等研製了第1個摻鋅GaAs太陽電池，不過轉化率不高，僅為9％～10％，遠低於27％的理論值。20世紀70年代，IBM公司和前蘇聯Ioffe技術物理所等為代表的研究單位，採用LPE（液相外延）技術引入GaAlAs異質視窗層，降低了GaAs表面的複合速率，使GaAs太陽電池的效率達16％。不久，美國的HRL（HughesResearchLab）及Spectrolab通過改進了LPE技術使得電池的平均效率達到18％，並實現了批量生產，開創了高效率砷化鎵太陽電池的新時代[4]。
從上世紀80年代後，GaAs太陽電池技術經歷了從LPE到MOCVD，從同質外延到異質外延，從單結到多結疊層結構的幾個發展階段，其發展速度日益加快，效率也不斷提高，目前實驗室最高效率已達到50％（來自IBM公司數據），產業生產轉化率可達30％以上。
2、幾項基本技術介紹
GaAs生產方式有別於傳統的矽晶圓生產方式，GaAs生產需要採用磊晶技術，這種磊晶圓的直徑通常為4―6英寸，比矽晶圓的12英寸要小得多，因此，製備其磊晶圓需要特殊的機台。目前，常用於GaAs製備的技術有幾種，主要有LPE和MOVPE等。
2.1LPE技術介紹
液相外延技術（LiquidPhaseEpitaxy，簡稱LPE）1963年由Nelson等人提出的，在GaAs的生產中，其以低熔點的Ga）鎵）為溶劑，以待生長材料Ga、As（砷）和摻雜劑Zn（鋅）、Te（碲）、Sn（錫）等為溶質，使溶質在溶劑中呈飽和或過飽和狀態。通過降冷卻使石墨舟中的溶質從溶劑中析出，在單晶襯底上定向生長一層晶體結構和晶格常數與單晶襯底（常為Ga）足夠相似的GaAs晶體材料，使晶體結構得以延續，實現晶體的外延生長。
2.2MOVPE技術介紹
金屬有機化學汽相澱積（MOCVD）是由美國洛克威爾公司的H.M.Manasevit等在1968年首先提出的一種製備化合物半導體薄層單晶膜的新型汽相外延生長技術。在GaAs晶片的製備中，它採用Ga元素的有機化合物和As的氫化物等作為晶體生長原料，以熱分解反應方式在襯底上進行汽相外延，生長GaAs化合物半導體以及它們的多元固溶體的薄膜層單晶材料。MOCVD是在常壓或低壓（≈10kPa）下於通H2的冷壁石英反應器中進行的，襯底度為600-800℃，過程中需用射頻加熱石墨支架，讓H2氣通過度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區。目前MOVPE方法製備GaAs薄膜電池受生長速率、生長度和As/Ga比、金屬有機物和AsH3的純度等諸多參數的影響[5]。
3、國內技術發展情況
在上世紀70年代中期至90年代中期，國內一般採用LPE技術研製GaAs電池，單結GaAs/GaAs電池效可達20％。1995年開始，國內開始採用MOCVD技術研製GaAs電池。“十五”初期，單結GaAs/Ge電池進入量產（用於航天），量產平均效率達到18.5％～19.0％（AM0）。我國首次GaAs電池試驗是在1988年9月時進行的，當時發射的FY21A星上，在衛星的太陽方陣帆板上使用了20mm×20mm×0.3mm單結GaAs電池，取得較好的效果。2001年1月發射的“神舟3號”飛船和2002年5月發射的“海洋21”衛星上，也套用了單結GaAs/GaAs電池。
四、砷化鎵電池產業發展現狀
就世界的角度來說，砷化鎵電池主要還是套用在宇宙空間探測利用等方面，在地面使用較少。目前全世界專業製作砷化鎵聚光電池的工廠有美國的Emcore，SpectroLab（波音的子公司）和德國的AzurSpace等，中國的產業化推廣還未成形。
2007年8月開始，由於聚光技術的採用，砷化鎵電池從衛星上的使用轉變為聚光的太陽能發電站的規模套用。為此，Emcore公司花了1000萬美元，將產能增加到目前的每年150兆瓦。
在2008年，全球的砷化鎵電池的生產取得突破性的發展，4月，作為砷化鎵生產的全球主要廠家之一SpectroLab，獲得350兆瓦，9300萬美元（1000倍聚光）的電站訂單。
在東亞地區，也有初步的生產推廣，2008年5月，韓國電站就接到70兆瓦，2800萬美元（500倍聚光）的訂單。
隨著全球光伏產業的大發展，光伏電池的生產在逐步推開。
五、砷化鎵電池產業發展遇到的問題
砷化鎵光伏電池有著較優的轉化效率，有明顯的發展優勢，應該成為一種有效的光伏發電途徑，但是，目前在中國產業化方面並不理想，出現了一些問題和阻礙。主要有以下幾個方面，一是製備費用高居不下，據文獻報導，砷化鎵晶片的製備費用約為10000$/m2，比常規的矽晶電池相比高出不少，當然，這是幾方面的因素造成的，
一方面，由於鎵元素在全球的儲量不多，大概在兩百萬噸左右[7]（中國約占一半），而且開採難度大（一般為鋁土礦的伴生礦），在當今號召降低高耗能投資的要求下（電解鋁項目得到嚴格控制），短期內要擴大粗鎵的生產比較難。另一方面，由於半導體材料對純度的要求很高，對半導體用鎵的要求達到6―7個9，目前世界上掌握這樣提純技術的國家僅有美國、德國和日本少數幾個，由於技術的壟斷，對擴大再生產構成限制，總體上增加了製備費用。
二是砷化鎵的另一個組分砷有毒，對於環境安全和生產工人自身身體安全都是一個不小的威脅，在沒有得到有力技術保證的前提下，一般的企業也不願往這方面投產。
第三，目前的砷化鎵電池由於自身物理因素的限制（脆性），一般製成帶襯底的薄膜電池，需要構造隧道結和防止形成寄生的p/n結[8]，這增加了技術的難度。
第四，由於砷化鎵電池的高轉化率，常把其製成高聚光電池，當然，這一方面可以縮小耗材，對於降低成本有利，但是也存在需要追日跟蹤系統的問題，而且由於各地區的日照條件不一樣據了解，目前對追日跟蹤系統的要求也不一樣，也增加系統的複雜度和實施的難度[9]。
第五，國內市場這幾年的注意力都集中在多晶矽市場，而且是進行的是一種90％以上原料依賴進口，90％以上產品依賴出口的一種模式，沒有把注意力集中到本土化光伏發電推廣，長此以往，整個光伏產業會缺乏動力需求，這對砷化鎵電池產業的發展來說也是不利的。
第六，對於產業化來說，民眾認可是很重要的，這些年來，對於砷化鎵光伏電池，民眾認知度不夠，媒介和研究機構的宣傳推廣工作有些不力。
第七是國家策，府策支持在光伏產業方面比較巨觀，目前還沒有做到對光伏電池行業進行分類別對待，支持產業發展，在成本競爭不具備優勢的情況下，策支持的不力使砷化鎵產業化推進緩慢。以上這些原因的綜合出現，對砷化鎵電池產業的發展造成了障礙。
六、展望
目前由於資金、技術和會認知等方面的不足，砷化鎵電池在中國並沒有走進大眾生活，實現產業化生產。但是由於砷化鎵電池具有很高的能量轉化效率，個人認為，是一種比較有前途的光伏發電裝置，對促進未來人類新能源利用，創造潔淨生存環境是一個好的備選項，相信通過業界的共同努力，府策上的得力支持，民眾的開放性心裡對待，砷化鎵太陽能光伏電池產業化會逐步發展，穩步推進，在明天的廣泛運用不是夢！
