砷化镓GaAs 是-族元素化合的化合物，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 是一种重要的化合物半导体材料，同锗、硅比，其禁带宽度和电子迁移率都比较大，用它制造的器件有较好的频率特性和耐高温特性用来制造微波半导体器件和半导体激光器由镓和砷在高温下合成，再制成单晶体 英文名称:Galliumarsenide 分子量:144.64 结构式: 半导体材料的种类繁多，从单质到化合物，从无机物到有机物，从单晶体到非晶体，都可以作为半导体材料根据材料的化学组成和结构，可以将半导体划分为：元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）；二元化合物半导体，如砷化镓(GaAs)、锑化铟（InSb）；三元化合物半导体，如GaAsAl、GaAsP；固溶体半导体，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半导体(又称非晶态半导体），如非晶硅、玻璃态氧化物半导体；有机半导体，如酞菁、酞菁铜、聚丙烯腈等 20世纪50年代，半导体器件的生产主要采用锗单晶材料，到了60年代，由于硅单晶材料的性能远远超过锗，因而半导体硅得到了广泛的应用，在半导体材料中硅已经占据主导地位大规模集成电路的制造都是以硅单晶材料为主的，-族化合物半导体如砷化镓、磷化镓、锑化铟等也越来越受到人们的重视，特别是砷化镓具有硅、锗所不具备的能在高温度频下工作的优良特性，它还有更大的禁带宽度和电子迁移率，适合于制造微波体效应器件、高效红外发光二极管和半导体激光器，因而砷化镓是一种很有发展前途的半导体材料。
随着大规模集成电路制造工艺水平的提高，半导体化学的研究领域和对象也将不断地扩展砷化镓特性 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、光子探测器等由于其电子迁移率比硅大56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，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、、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1砷化镓太阳能电池 中文名称： 砷化镓太阳能电池 英文名称： galliumarsenidesolarcell 定义： 以砷化镓为基体材料的太阳能电池 砷化镓晶片发展前景 2010年5月，新一期英国自然杂志报告说，美国研究人员研发出一种可批量生产砷化镓晶片的技术，克服了成本上的瓶颈，从而使砷化镓这种感光性能比硅更优良的材料有望大规模用于半导体和太阳能相关产业2 美国伊利诺伊大学等机构研究人员报告说，他们开发出的新技术可以生成由砷化镓和砷化铝交叠的多层晶体，然后利用化学物质使砷化镓层分离出来，可同时生成多层砷化镓晶片，大大降低了成本。
这些砷化镓晶片可以像“盖章”那样安装到玻璃或塑料等材料表面，然后可使用已有技术进行蚀刻，根据需要制造半导体电路或太阳能电池板 不过，该技术目前还只能用于批量生产较小的砷化镓晶片，如边长500微米的太阳能电池单元下一步研究将致力于利用新技术批量生产更大的砷化镓晶片砷化镓太阳能充电器,三结砷化镓太阳能电池片 砷化镓太阳能电池砷化镓太阳电池技术的进展与前景 GaAs太阳电池的发展已有40余年的历史20 世纪50年代首次发现GaAs材料具有光伏效应后, LOFERSKI确立了太阳电池光电转换效率与材料 禁带宽度Eg间的关系,即Eg=1.41.6eV的材 料光电转换效率高而GaAs材料的Eg=1.43eV, 能获得较高的转换效率JENNY等首次制成GaAs 太阳电池,其效率为6.5%60年代GOBAT等研 制了第1个掺锌GaAs太阳电池,但转换效率仅为 9%10%,远低于27%的理论值70年代, WOODAL等采用LPE技术,在GaAs表面生长一 层宽禁带Alx Ga12x As窗口层,大大减少了表面复 合,转换效率提高至16%,开创了高效率砷化镓太 阳电池的新纪元20世纪80年代后,GaAs太阳电 池技术经历了从LPE到MOCVD,从同质外延到异 质外延,从单结到多结叠层结构的几个发展阶段,其 发展速度日益加快,效率也不断提高,最高效率已达 到29%。
与硅太阳电池相比,GaAs太阳电池具有 更高的光电转换效率、更强的抗辐照能力和更好的 耐高温性能,是公认的新一代高性能长寿命空间主 电源从80年代至今,GaAs太阳电池在空间主电 源领域的应用比例日益增大 1特点 GaAs太阳电池是一种2族化合物半导体太阳电池,与Si太阳电池相比,其特点为: a)光电转换效率高GaAs的禁带宽度较Si为 宽,GaAs的光谱响应特性和空间太阳光谱匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太阳电池的光电转换效率高Si太阳电池理论效率为23%,而单结和多结GaAs太阳电池的理论效率分别为27%和50% b)可制成薄膜和超薄型太阳电池GaAs为直 接跃迁型材料,而Si为间接跃迁型材料在可见光 范围内,GaAs材料的光吸收系数远高于Si材料 同样吸收95%的太阳光,GaAs太阳电池只需5 10m的厚度,而Si太阳电池则需大于150m因 此,GaAs太阳电池能制成薄膜型,质量可大幅减小 c)耐高温性能好GaAs的本征载流子浓度低, GaAs太阳电池的最大功率温度系数(-2 10-3 -1)比Si太阳电池(-4.410-3 -1)小 很多200时,Si太阳电池已不能工作,而GaAs 太阳电池的效率仍有约10%。
d)抗辐射性能好GaAs为直接禁带材料,少数 载流子寿命较短,在离结几个扩散度外产生的损伤, 对光电流和暗电流均无影响因此,其抗高能粒子 辐照的性能优于间接禁带的Si太阳电池在电子 能量为1MeV,通量为11015个/cm2辐照条件 下,辐照后与辐照前太阳电池输出功率比,GaAs单 结太阳电池0.76,GaAs多结太阳电池0.81,而 BSFSi太阳电池仅为0.70 e)可制成效率更高的多结叠层太阳电池 MOCVD技术的日益完善,2族三元、四元化合 物半导体材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生长技 术取得的重大进展,为多结叠层太阳电池研制提供 了多种可供选择的材料 2. 1 LPE技术 LPE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,LPE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Alx Ga12xAs窗口 层,使GaAs太阳电池效率明显提高。
LPE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 LPE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LPE设备,用于研制 2. 2 MOCVD 技术 MOCVD是MANASEVIT在1968年提出的一 种制备化合物半导体薄层单晶的方法其原理是采 用族、族元素的金属有机化合物Ga(CH3)3、 Al(CH3)3、Zn(C2H5)2等和族、族元素的氢化物 (PH3、AsH3、H2Se)等作为晶体生长的源材料,以热 分解的方式在衬底上进行气相沉积(气相外延),生 长2族、2族化合物半导体及其三元、四元化 合物半导体薄膜单晶 20世纪70年代末,MOCVD开始用于研制 GaAs太阳电池与LPE相比,MOCVD虽然设备 成本较高,但具有不可比拟的优越性 3国外技术的进展 3. 1 单结GaAs 太阳电池 3.1.1单结GaAs/GaAs太阳电池 20世纪7080年代,以GaAs单晶为衬底的单 结GaAs/GaAs太阳电池研制基本采用LPE技术生 长,最高效率达到21%。
80年代中期,已能大批量 生产面积为2cm2cm或2cm4cm的GaAs/ GaAs电池,如美国休斯公司采用多片LPE设备,年 产3万多片2cm2cm电池,最高效率达19%,平 均效率为17%(AM0);日本三菱公司采用垂直分离 三室LPE技术,一个外延流程可生产200片2cm 2cmGaAs电池,最高效率达19.3%,平均效率为 17.5%(AM0)此外,国外也用MOCVD技术研制 GaAs/GaAs太阳电池,美国生产的GaAs/GaAs太阳 电池,批产的平均效率达到了17.5%(AM0) 3.1.2单结GaAs/Ge太阳电池 3. 2 多结GaAs 太阳电池 单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光, 其转换效率不高不同禁带宽度的2族材料制 备的多结GaAs电池,按禁带宽度大小叠合,分别选 择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提 高太阳电池的光电转换效率理论计算表明(AM0 光谱和1个太阳常数):双结GaAs太阳电池的极限 效率为30%,三结GaAs太阳电池的极限效率为 38%,四结GaAs太阳电池的极限效率为41% 20世纪80年代中期,国外逐步开始研制高效 率多结叠层电池。
多结叠层电池效率高、温度系数 低、抗辐射能力强,其空间应用更具吸引力 4国内技术进展 70年代中期至90年代中期,国内均采用LPE 技术研制GaAs电池这种方法设备简单、毒性小、 外延层质量较高,但GaAs的表面复合速率较高,多 层复杂结构的生长和厚度的精确控制难以实现单 结GaAs/GaAs电池效率已从14%提高至20%,电 池面积从1cm1cm提高至2cm4cm,从单片研 制发展到50100片/炉,已达到空间实用化水平 5前景 5. 1 高效率多结GaAs 太阳电池 改进多结GaAs太阳电池的结构和制备工艺, 提高电池的光电转换效率(三结Ga0.5In0.5P/GaAs/ Ge太阳电池突破32%,四结GaAs太阳电池突破 35%),扩大批产能力(年产量大于10MW),大幅提 高空间太阳电池方阵的面积比功率、质量比功率和 应用寿命,降低太阳电池阵的成本 5. 2 GaAs 薄膜太阳电池 GaAs电池质量大、费用高,利用GaAs材料对 阳光吸收系数大的特点,可制成薄膜型(厚度5 10m)就空间应用而言,薄膜化可大大减轻太阳 方阵质量,从而提高电池的质量比功率(由120W/ kg提高到600W。