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砷化鎵（GaAs）半導體材料與傳統的硅材料相比，具有很高的電子遷移率（約為硅材料的5.7倍）以及寬禁帶結構。同樣條件下，它能更快地傳導電流。我們可以利用砷化鎵半導體材料制備微波器件，它在衛星數據傳輸、移動通信、GPS全球導航等領域具有關鍵性作用。
砷化鎵半導體材料的一個重要特性是它的光電特性。由于它具有直接帶隙（通過吸收或放出光子能量，電子從價帶直接躍遷到導帶，從而有較高發光效率）以及寬禁帶等結構，它的光發射效率比硅鍺等半導體材料高。它不僅可以用來制作發光二極管、光探測器，還能用來制備半導體激光器，廣泛應用于光通信等領域。此外，砷化鎵半導體材料還具有耐高溫、低功率等特性，在衛星通訊領域有著廣泛應用。
化合物半導體材料砷化鎵 （GaAs）和磷化銦（InP）是微電子和光電子的基礎材料，而砷化鎵則是化合物半導體中最重要、用途最廣泛的半導體材料，也是目前研究得最成熟、生產量最大的化合物半導體材料。由于砷化鎵具有電子遷移率高（是硅的5~6倍）、禁帶寬度大（它為1.43eV，Si為1.1eV）且為直接帶隙，容易制成半絕緣材料、本征載流子濃度低、光電特性好。用砷化鎵材料制作的器件頻率響應好、速度快、工作溫度高，能滿足集成光電子的需要。它是目前最重要的光電子材料，也是繼硅材料之后最重要的微電子材料，它適合于制造高頻、高速的器件和電路。
此外, GaAs材料還具有耐熱、耐輻射及對磁場敏感等特性。所以,用該材料制造的器件也具有特殊用途和多樣性,其應用已延伸到硅、鍺器件所不能達到的領域。即使在1998年世界半導體產業不景氣的狀況下, GaAs材料器件的銷售市場仍然看好[1]。當然, GaAs材料也存在一些不利因素,如:材料熔點蒸氣壓高、組分難控制、單晶生長速度慢、材料機械強度弱、完整性差及價格昂貴等,這都大大影響了其應用程度。然而, GaAs材料所具有的獨特性能及其在軍事、民用和產業等領域的廣泛用途,都極大地引起各國的高度重視,并投入大量資金進行開發和研究。
1、砷化鎵材料的基本物理特性
砷化鎵半導體材料是直接帶隙結構，雙能谷。晶體呈暗灰色，有金屬光澤。GaAs室溫下不溶于鹽酸，可與濃硝酸反應，易溶于王水。室溫下，GaAs在水蒸氣和氧氣中穩定。加熱到6000C開始氧化，加熱到8000C以上開始離解。有效質量越低，電子速度越快。GaAs中電子有效質量為自由電子的1/15，是硅電子的1/3，用GaAs制備的晶體管開關速度比硅的快3~4倍。
2、砷化鎵材料的其他物理特性
砷化鎵具有高遷移率,高飽合漂移速度。當半導體處于外場中時,在相繼兩次散射之間的自由時間內,載流子(比如電子)將被外場加速,從而獲得沿一定方向的加速度。因此,在有外場存在時,載流子除了做無規則的熱運動外,還存著沿一定方向的有規則的漂移運動,漂移運動的速度稱為漂移速度( v ),最大漂移速度稱為飽合漂移速度。
砷化鎵還有一個重要的性能是半絕緣性,通過區域離子注入,其襯底內部仍然能保持電隔離。這樣的性質,使其非常適合用作生產集成電路所用襯底的材料。另外,半絕緣砷化鎵材料制成的器件,其寄生電容很小,這樣可用來制造一些快速器件,比如開發的單片微波集成電路。
3、砷化鎵的應用物理特性
砷化鎵電池作為Ⅲ-Ⅴ族半導體電池，與硅電池相比有很多特點：
光電轉換效率高： GaAs的禁帶寬度較Si為寬,GaAs的光譜響應特性和空間太陽光譜匹配能力亦比Si好,因此,GaAs太陽電池的光電轉換效率高。Si太陽電池理論效率為23%,而單結和多結GaAs太陽電池的理論效率分別為27%和50%。
可制成薄膜和超薄型太陽電池：GaAs為直接躍遷型材料,而Si為間接躍遷型材料。在可見光范圍內,GaAs材料的光吸收系數遠高于Si材料。同樣吸收95%的太陽光,GaAs太陽電池只需5~10µm的厚度,而Si太陽電池則需大于150µm。因此,GaAs太陽電池能制成薄膜型,質量可大幅減小。
耐高溫性能好： GaAs的本征載流子濃度低,GaAs太陽電池的最大功率溫度系數小很多。200℃時,Si太陽電池已不能工作,而GaAs太陽電池的效率仍有約10%。
抗輻射性能好： GaAs為直接禁帶材料,少數載流子壽命較短,在離結幾個擴散度外產生的損傷,對光電流和暗電流均無影響。因此,其抗高能粒子輻照的性能優于間接禁帶的Si太陽電池。
可制成效率更高的多結疊層太陽電池： MOCVD技術的日益完善,Ⅲ-Ⅴ族三元、四元化合物半導體材料(GaInP、AlGaInP、GaInAs等)生長技術取得的重大進展,為多結疊層太陽電池研制提供了多種可供選擇的材料。
1、砷化鎵在光電子方面的應用
同用其他材料制作的激光器相比,砷化鎵激光器有很多優點:首先激光器件可以做得很小,如用砷化鎵激光器制造的小型雷達,只有手電筒那樣大,能產生1.0×10-11s脈沖和6W的功率,是一種戰地條件下很有效的雷達;其次,砷化鎵化合物半導體激光器件使用壽命長。據報道,砷化鎵激光器的壽命可達到2 700 000 h;第三,容量大是砷化鎵激光器又一個重要的優點,用這種激光器通訊可以攜帶幾千路對話通訊光束。
2、砷化鎵在微電子方面的應用
砷化鎵不僅可直接制作光電子器件，如發光二級管、可見光激光器、近紅外激光器、量子阱大功率激光器、紅外探測器和高效太陽能電池；而且在微電子方面，以半絕緣砷化鎵為基體，用直接離子注入自對準平面工藝研制的砷化鎵高速數字電路、微波單片電路、光電集成電路、低噪聲及大功率場效應晶體管，且有速度快、頻率高、低功耗和抗輻射等特點，不僅在國防上具有重要意義，在民用和國民經濟建設中更有廣泛應用。同時由于太陽能電池、光纖通信和移動通信的發展，世界對砷化鎵半導體材料的需求越來越大，砷化鎵的重要性也在不斷提高。
3、砷化鎵在通信方面的應用
半絕緣砷化鎵材料主要用于高頻通信器件，受到近年民用無線通信市場尤其是手機市場的拉動，半絕緣砷化鎵材料的市場規模也出現了快速增長的局面[6]。同時砷化鎵太陽能電池作為新一代高性能長壽命空間主電源，必將逐步取代目前采用的硅電池在空間電伏領域占領主導地位。我國航天事業飛速發展也需要高性能、長壽的空間主電源。
4、砷化鎵在微波方面的應用
與硅微波器件相比,砷化鎵微波器件特點是:功率大、頻率高、增益高、噪聲小,并且能夠在比較低的電壓下工作,現在,砷化鎵場效應晶體管和雪崩二極管的工作效率已經達到幾十千兆周,有可能突破100千兆周,這在雷達和微波通訊方面,都有著極為重要的意義。由于砷化鎵微波器件增容高,噪聲小,所以大大改善了微波系統的靈敏度。砷化鎵甘氏二級管可以在操作電壓5V到7V的條件下工作。所以砷化鎵甘氏二級管,可以使用尺寸小和重量輕的電源,對宇宙空間技術有極為重要的意義。
5、砷化鎵在太陽能電池方面的應用
砷化鎵是一種很有發展前途的制作太陽能電池的材料。太陽能電池可以把太陽能直接轉換為電能。硅太陽能電池是世界上使用最多的一種,它的轉換效率最高能夠達到18%～20%,而砷化鎵太陽能電池最大效率預計可以達到23%～26%,它是目前各種類型太陽能電池中效率預計最高的一種。砷化鎵太陽能電池抗輻射能力強,并且能在比較高的溫度環境中工作。這不僅對探索宇宙的研究提供了有利條件,而且也標志著人類在直接利用無窮無盡的太陽能方面又邁進了一步。
砷化鎵作為Ⅲ-Ⅴ族半導體材料，它的閃鋅礦晶體結構和直接帶隙結構讓它具有相比于硅，鍺更為優良的性能。砷化鎵具有更高的電子遷移率和飽和遷移速率，而且還有獨特的半絕緣性，而且砷化鎵材料還具有耐熱、耐輻射及對磁場敏感等特性，使砷化鎵材料具有特殊用途和多樣性,應用已延伸到硅、鍺器件所不能達到的領域。砷化鎵材料雖然在制備方面具有一定的難度，但其應用前景仍舊是一片光明，在光電子，微電子，太陽能電池等各個方面都有非常廣泛的應用。