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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[2]。
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[3]。
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[4][5][6]。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。
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