热门半导体材料砷化镓应用揭秘

背景介绍

砷化镓（GaAs）（项目号：G119227）是镓和砷两种元素所合成的化合物，两者是重要的IIIA族、VA族半导体材料。因此，GaAs也是重要的化合物半导体材料。GaAs外观呈亮灰色，具金属光泽、性脆而硬。常温下比较稳定，不与盐酸、硫酸、氢氟酸等反应，但能与浓硝酸反应，也能与热的盐酸（项目号：H399545）和硫酸（项目号：S399850）作用。当其被加热到873K时，外表开始生成氧化物，形成氧化膜。除此之外，GaAs还具备较好的电子特性，如较高的饱和电子速率及电子迁移率，较快的切换速度，抗天然辐射等一系列独特性质。

GaAs天然存量稀少，通常采用镓和砷直接化合的方法，其中水平区域熔炼法是普遍采用的方法。通过区域提纯便可获得单晶。采用间接的方法也可获得GaAs。如通过砷蒸气（项目号：A110123）将GaCl（项目号：G345285）还原来制备GaAs（式一），或者通过Ga(CH3)3和AsH3在一定温度下，发生热分解得到GaAs（式二）。

4GaCl + 2H2 + As4 → 4GaAs + 4HCl                       （一）

Ga(CH3)3 + AsH3 → GaAs + 3CH4                          （二）

应用

GaAs具备许多优异的特性，其应用也十分广泛，具体大致可以分为RF（射频）, PHOTONICS（光电子）, LED（发光二极管）和PV（光伏发电）四大领域。

射频器件

射频器件主要功能是实现信号发送和接收，由功率放大器（Power Amplifier，PA）、射频开关、滤波器、数模/模数转换器等器件组成。GaAs应用于射频领域，主要环节是PA。经过PA放大的信号，最终从设备中发射出去，属于通信设备高能耗环节。

最近，Nguyen等人[1]采用0.15 μm GaAs设计了一种具有谐波调谐输出匹配网络的叠置场效应晶体管PA。所制备的PA具有28.5 dBm的输出功率，12 dB增益和38.4%的功率附加效率(PAE)。这是第一次将叠置场效应晶体管技术与谐波调谐输出网络相结合，实现了GaAs PA中的高PAE和高功率密度。


图1：功率放大器芯片照片(1.1 mm × 0.8 mm)[1]

此外，GaAs在5G手机PA领域也占据了主导地位。GaAs具备较高的饱和电子速率及电子迁移率，使得其适合应用于高频场景，在高频操作时具有较低的噪声；同时因为GaAs有比Si更高的击穿电压，所以GaAs更适合应用在高功率场合。因为这些特性，GaAs在5G时代，仍然将是功率放大器及射频开关等手机射频器件的主要材料。

 

光电器件

GaAs的另一个优点是其具备的直接能隙，使其拥有了较好的光电性能，可以用于制作光电子器件。使用GaAs衬底制造的红外激光器、传感器因其具备高功率密度、低能耗、抗高温、高发光效率、高击穿电压等特点受到了广泛关注。

高效的光电转化是人们不懈追求的目标，对推动新能源和信息领域的发展和应用具有十分重要的意义。光子功率转换器或光电传感器可以吸收通过多模光纤传输的红外激光功率，并将其转换为电能以供远程使用。为了将此功率转换为有用的电压，Hinzer等人[2]设计和制造了一种GaAs光伏光电传感器，该光电传感器使用单片、晶格匹配、垂直堆叠的单电池器件产生>5 V，从而消除了复杂的制造和组装步骤。实验测量结果也表明，在波长为835 nm、光照强度为11 W/cm2的条件下，转换效率可达60.1%。


图2：实验装置示意图[2]

LED器件

发光二极管（light-emitting diode，LED）是由化合物半导体（GaAs、GaN等）组成的固体发光器件，可将电能转化为光能。不同材料制成的LED会发出不同波长、不同颜色的光。LED根据芯片尺寸可以区分为常规LED、Mini LED、Micro LED等类型，其中Mini LED、Micro LED应用于新一代显示。

 

电致发光（在LED中电子到光子的转换）可以用作制冷机制，前提是LED具有较高的量子效率。Xiao等人[3]通过优化GaAs/GaInP双异质结构LED，研究了电致发光技术在制冷领域的实际应用。研究首先基于精细平衡物理和统计射线光学方法建立了设计模型，并预测了263 K时的外部发光效率ηext为97.7%。其次，为了提高冷却系数的性能，研究者进一步将冷却的LED与光伏电池配对，光伏电池可以将部分发出的光能转化为电能。对于接近室温和中等功率密度(1.0-10 mW/cm2)的应用，使用现有GaAs器件中的材料质量，电致发光制冷器可以以较高的性能系数运行（预计为原来的1.7倍）。

图3：用于电致发光的Ga0.51In0.49P/GaAs双异质LED结构示意图[3]

光伏发电

在光伏发电技术中，太阳能电池是其中最重要的元件，目前主要应用于光伏发电的电池大都是基于半导体技术。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙与太阳光谱的匹配较适合，且能耐高温。与硅太阳电池相比，GaAs太阳电池具有较好的性能。

如图4，Sheng及其同事[4]制备了一种微型薄膜双结砷化镓光电二极管器件（double junction GaAs photodiode ), 并研究了其在不同波长和强度激发光下的光子和载流子传输行为。实验测试表明，光子回收效应与激发光波长和功率等参数密切相关，在蓝紫色光（400~480 nm）和近红外光（~800 nm）照射下，双结电池产生的光电流与激发光功率分别呈现超线性和线性的特性。同时，在高强度激发光照射下，光子回收效应可以显著改善子电池间的电流匹配情况，实现宽波段、高效率的光电响应（波长400~800 nm，外部量子效率接近50%）。

图4：在475 nm光照下，GaAs双结光电二极管内部的光学过程示意图[4]

纳米流体近年来被认为是PV/T体系中一种良好的冷却液。Samir及其同事[5]提出了一种新的、具有独立通道的级联纳米流体PV/T配置，其中一个通道控制光学特性，而另一个通道增强PV电池的热排出。在第一种情形中，光学纳米流体在PV电池上方充当液体光学带通滤波器。在第二种情形中，热纳米流体从PV电池背面除去热量。对不同浓度比下的GaAs和Si基光伏电池进行了模拟。仿真结果表明，最佳的光学纳米流体滤光片可向GaAs或Si光伏电池传输的能量约为理想光谱的82%。在集中系统中，GaAs (C?45)和Si (C?30)的电效率方面，分离通道系统(D-1)比双通道设计(D-2)高出8.6%。将热纳米流体的体积分数从0.001提高到1.5%，加入GaAs (C?160)和Si (C?100)的D-1体系的整体效率分别提高了约5.8%和约4.6%。结果表明，具有单独通道的光伏/T配置在高浓度(C > 100)太阳能系统中有进一步发展的潜力。

图5：PV/T异质结示意图：(a) 分离通道系统；(b) 双通道系统[5]

在商业应用方面，由于砷化镓高昂的制造成本，地面光伏电站极少使用。但目前新的生长技术大大缩短了制作太阳能电池的时间，有望带来工艺成本的大幅下降，使砷化镓电池大规模商用成为可能。

参考文献：

1.Nguyen D P, Pham T, Pham B L, et al. A high efficiency high power density harmonic-tuned Ka band stacked-FET GaAs power amplifier[C]//2016 IEEE compound semiconductor integrated circuit symposium (CSICS). IEEE, 2016: 1-4. 

2. Valdivia C E, Wilkins M M, Bouzazi B, et al. Five-volt vertically-stacked, single-cell GaAs photonic power converter[C]//Physics, Simulation, and Photonic Engineering of Photovoltaic Devices IV. SPIE, 2015, 9358: 48-55. https://doi.org/10.1117/12.2079824

3. Xiao T P, Chen K, Santhanam P, et al. Electroluminescent refrigeration by ultra-efficient GaAs light-emitting diodes[J]. Journal of Applied Physics, 2018, 123(17): 173104. https://doi.org/10.1063/1.5019764

4. Ding H, Hong H, Cheng D, et al. Power-and spectral-dependent photon-recycling effects in a double-junction gallium arsenide photodiode[J]. ACS Photonics, 2019, 6(1): 59-65. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.8b01404

5. Hassani S, Taylor R A, Mekhilef S, et al. A cascade nanofluid-based PV/T system with optimized optical and thermal properties[J]. Energy, 2016, 112: 963-975. https://doi.org/10.1016/j.energy.2016.06.142