“集成电路块”的问世，使硅几乎成了一个家喻户晓的词，而今，特别是在高速化要求下，另一种材料——砷化镓正厉兵秣马，欲向硅在微电子学领域里的霸权提出挑战。

微型电子器件之所以在计算、通讯这样的领域里主宰沉浮，主要归功于半导体的单晶特性。半导体的导电性能介于金属与绝缘体之间，由于半导体具有导电量易于控制这一特别有用的性能，人们把它用于开关和放大器——常用晶体管的两个主要功用。硅是一种半导体，它的导电性介于金属和非金属之间，是元素周期表IV族的一种元素（图1）。现在许多微型电子器件都是以硅为主要材料制成的。但在某些应用范围中，硅和另一种材料——Ⅲ族和V族元素的化合物比较之下，就相形见绌了。这种材料就是砷化镓。

砷化镓是由低熔点的、相当稀有的金属和砷（人们熟知英国维多利亚女王时代的人爱把它用作毒药）化合而成的。这种化合物在用它制成的光发射二极管用于计算器和计数表时而初露头角的。现在砷化镓和与此相关的合金一起正厉兵秣马，准备向硅在电子器件生产上的霸权提出挑战。因为砷化镓能发光，它将在连接电子元件与光学通讯系统方面发挥重要作用。如用于电话交换机。砷化镓还具有其他一些有用的特性。这些特性无疑将使砷化镓在许多微型电子公司的工作中起异乎寻常的作用。

所谓良导体，就是一种其电子能很容易地从一个原子移动到另一个原子的材料。电子的流动形成电流，电子总是环绕原子核在同心电子层轨道上运动的，每一个电子层上的电子数都是由一定的物理规律限定的。在金属中，外层电子似乎并不局限在原子场，而是在材料内到处自由运动，只是在与振动原子、晶体中缺陷相互作用时，它才受到约束。

另一方面，在绝缘体中，相邻的原子能转移外层电子，如在氯化钠中，一个电子从钠（Ⅰ族）迁移到氯（Ⅲ族），这两类原子周围就形成了一个封闭的电子壳层。绝缘体内的相邻原子能分别共有它们之间的外层电子，这两者都没有电子可用来参与导电。硅是一种其原子共有外层电子的材料，它的四个外层电子（即价电子）为相邻的原子共有，是绝缘体。要使硅电子参与导电，必须提供热能使电子从原子间的共价键中释放出来。

镓（Ⅲ族）种砷（V族）的外电子层分别有3和5个电子，所以这些原子能组成一种外电子层有8个电子，即外电子层满载的合金——砷化镓。由于原子间的共价键构成方法和硅相同，它的原子排列也和硅一样（图2）。

要改变半导体的导电性能，可导入电荷的过剩载流子，这些载流子可以是电子，也可以是空穴——失去电子的空态。电子是阴性的，空穴则带正电荷。工程师们通过加入微量其他元素作掺杂剂来改变半导体的导电性能，如掺进微量五价元素（其原子有五个价电子）杂质，给类似硅那样的基本结构遣送过剩电子，而三价元素杂质则使其产生更多的空穴（图3）。

我们再从能带的角度来研究一下半导体。单个原子中电子的能级是不连续的，被大空隙隔开（图4），通常用能级图表示。然而当原子汇在一起组成晶体后，能级都分裂而形成能带个完整的区域，它是紧密连在一起的，但又是由不同的能级组成的。因为两个电子不可能同时占据同一能态，在一个晶体内有多少电子，就有多少能态。虽然晶体内原子能级变成了能带，但在能带之间仍会有空隙。参加导电的电子，总是原子最外层最活跃的电子。它们处于最高的有效能带——导带中的能态。因为导带有许多未被占据的空态，这些电子就能不受束缚地自由运动。紧挨在导带下面的是价带，价带的空穴相当于导带的空态。在一个绝缘体中，导带中一个电子也没有，而价带却被填得满满的，而且在导带和价带之间有很宽的禁带，以致热能也无法使电子越过这一禁带（图5）。半导体的禁带要比绝缘体小得多，所以在室温下，一些电子有足够的能量跃入导带，而给价带留下空穴。在半导体中掺入杂质就能给导带增加过剩电子或给价带增加过剩空穴。

导电子只有在两种不同类型的半导体连结在一起时，才和价带中的空穴结合，如在二极管、晶体管这样的器件中。看起来，一个导电子似乎只简单地辐射出一个光子，失去和禁带宽度相等的能量，就能填补价带中的一个空穴。然而的实际过程比这复杂得多。动量和能量一样也必须守恒，这就意味着，以硅为例，只有当电子在辐射一个光子的同时也辐射一个电子（以声速振动移动），把动量传给晶格，才能和空穴复合，这一过程极不可靠（图6）。

但是，人们知道砷化镓是直接跃迁半导体（与此相反，像硅这样的材料为间接跃迁半导体）。这就意味用，一个电子陷入空穴，只是辐射一个光子而已，不过，即使在砷化镓中，电子与空穴也不能足够快地复合，而使砷化镓“大放光彩”。正像后面将要举例说明的，完成这一过程还_要用某种辅助方法。

砷化镓电子和空穴结合的效能，在固体激光器上得到了利用。这种激光器的基本部分，就是带过剩电子n型材料和带过剩空穴的P型材料的结点。这种结点组成的二极管，是一种只允许电流单向导通的电子器件（图7）。给二极管n型区一边加一个负电压（正向偏压），半导体的PN型之间的作用区就出现一个称为粒子数反转的效应。高能态的电子要比低能态的电子多得多。这种反转是激光效应的基础。在结点附近的P型材料的导带里有许多空能态，而P型材料的导带能量要比n型材料导带的能量低，这样当n型区的电子被加在P型区的正电压吸引时，空能态就能俘获它们，这些电子跃迁至低能极，就释放出光子，其能量或多或少相同于禁带宽度。

要使砷化镓电子器件在室温下能有效地工作，必须把电荷载流子（电子和空穴）约束在一个薄型作用区里，光也必须从这一区域来。这一点在被称为双杂质的结构中很容易做到。这种双杂质结构是具有宽禁带的n型材料和P型材料之间有一个薄型作用区的夹层状结构（图8）当n型材料加上负电压时，对于电子（在n型区）和空穴（在P型区），具有宽禁带的材料就提供了一个阻挡层，这样就把激光效应限制在作用区了。夹层状结构的外层通常用镓铝砷（GaAlAs）制成。铝和镓一样是元素周期表Ⅲ族元素。电子穿过n型区很容易进入作用区，被相应的负电势推向前。薄型作用区用P型砷化镓做成，在这一区域中，电子很容易和P型区的优势电荷载流子——空穴复合而产生光。就产生的波长来说，砷化镓的折射率要比镓铝砷大，所以，由于内反射，光被限制在砷化镓层内，如果夹层状结构的两端被全面粘着的话，它们就像镜子来回反射光，产生激光效应。

因为双杂质结构激光器是分层的，它的加工工艺自然和已被采用的在硅片基座或衬底上淀积多种不同涂层的集成电路工艺是一致的。双杂质结构也在单块砷化镓里产生光、引导光、栓出光成为可能。把砷化镓条状物嵌入镓铝砷，利用镓铝砷较低的折射率，很容易用砷化镓来给激光器产生的光导向。

然而正像双杂质结构激光器所表明的，制成这样的光电器件所基于的特性，并非砷化镓所独具，元素周期表Ⅲ族和V族元素组成的半导体族都具有起决定作用的这一独特性能。在激光器的双杂质结构中，砷化镓晶格几乎完全和镓铝砷的晶体相匹配。假如不匹配的话，交接处的晶格缺陷和位错将俘获电子使它们和作用区外边的空穴复合。

双杂质结构的另一有用之处是，纯砷化镓原子间距只和纯砷化铝相去0.2%，而禁带完全不同，镓铝砷的禁带宽度差不多是碑化铝的两倍。这就意味着、镓铝砷禁带大得足以防止电子和空穴在作用区外复合。我们还可以改变作用区的成分、来改变禁带，使激光波长与玻璃纤维传输的最佳值相匹配。一种用Ⅲ族和V族的四种元素化合而成的合金，即所谓四价化合物已被发展来用于激光器，这种激光器将能发射最易通过玻璃纤维的最佳波长的光。

砷化镓具有更多的特性，使它能成为其他半导体的具有魅力的替换物。像砷化镓这样有较高带隙能的材料，随着温度升高热感应反而减小。用砷化镓制成的器件要比以相同量的硅制成的器件工作速度快，这是因为砷化镓的电子迁移率（电场内电子平均速度的量度）要比硅电子高。半导体制作者已经把砷化镓的这种快速反应微波集成电路（接近10 G-Hz）和快速电流开关。砷化镓电子还具有较高的饱和漂移速度，这就是说、砷化镓在电子速度到达固有上限前，就会产生一个高电场，这反过来又意味着，用砷化镓这种化合物组成的元件功率消耗低。

要充分利用像砷化镓这样的Ⅲ-V族元素化合物，技术方面有何要求呢？研究人员面临的首要问题就是要采用一种方法生产出纯而大的砷化镓单晶体。方法已经找到，但生产一个砷化镓晶体要比生产一个硅晶体困难得多，因为砷在1240℃左右的高温下趋于气化，而砷化镓却在达到这一温度时才开始结晶。另一个问题是放熔态金属的坩埚材料也会玷污晶体，导入有害的电荷载流子。专家们现在已经克服了这些困难，生产出直径70 mm左右的砷化镓晶体，它可以是n型的，也可以是P型的。专家们还用加入微量能诱捕任何电荷载流子的铬原子的方法，造出具有高电阻率的所谓半绝缘形式的砷化镓，这种材料可用作集成电路中高速开关晶体管的衬底。

砷化镓单晶体切割成片的方法和硅一样，用金刚石锯把单晶体切割成约0.2 mm厚的晶片，在这晶体衬底上淀积不同种类的薄膜层，每一薄膜层就成了电子器件的不同组成部分。下面介绍几种现在人们正在评议的用砷化镓制作电子器件的几种工艺。

化学气沉。分解镓化物和砷化物气体（如氯化镓、氯化砷、含有金属离子的有机分子组成的有机化合物），以使镓和砷淀积在准备好的衬底上。含有掺杂剂（提供过剩电子和空穴的原子）的蒸汽和含有镓、砷的主要蒸汽混为一体。这种工艺非常适用于批量生产，对不同涂层的成分和厚度可以妥善控制。但此工艺要求蒸汽必须极其纯净。然而即便如此，终因蒸汽很容易和其他物质起反应，而使涂层的结晶结构出现缺陷在所难免。

液相外延——用含有恰当的掺杂剂的过冷溶态砷化镓（所谓过冷即冷却到低于常规凝固温度）和洁净的砷化镓薄片接触。这种工艺广泛地用于生产发光二极管，也常用于研制一种新结构。不幸的是使用这种工艺，当液体与固体接触时会使接触面粗糙，特别是晶片没有按相对的晶体平面准确切割的话尤为如此。

分子束外延即用镓、砷和掺杂剂的分子瞄准衬底。这种工艺要在超高真空中进行，以防止杂散的原子和分子轰击、沾污衬底。衬底应保持适当的高温（550°C左右）。这样晶体生长时才能避免。虽然这个工艺需要的设备比别的工艺复杂，但用此工艺可精确地控制生长的涂层的成分、厚度。由于它是在良好的真空中进行的，电子衍射技术能不断地监控表面结构是否完善，如果需要的话就让工序中断。这一点别的选用的工艺是望尘莫及的。在过去一年里所造的双杂质激光器中，采用此工艺的多达50%。

前景

砷化镓要得到广泛应用还面临着不少问题。硅之所以被广泛采用，是因为它的氧化物是一个良好的绝缘体，这样，只要把硅结构放在氧或蒸汽中就能生产出绝缘区隔离电子器件。而在砷化镓上形成的氧化镓却没有这种有用的特性。所以不得不在砷化镓上淀积二氧化硅、氧化铝、氮化硅，形成特殊的绝缘层。

不用说、砷化镓引起了世界上主要的电子公司的极大兴趣。在美国，贝尔实验室和国际商用电子计算机公司正在积极地把砷化镓电子器件用于从高速开关、微波到复杂的光电子学的广大范围内，其他诸如休斯公司、洛克威尔公司和电信工程公司也正在从事这方面的工作。在联合王国，剑桥金属研究院在生长电子器件衬底所需的单晶体方面一马当先，菲力浦斯公司、空间技术实验室、泊莱塞公司和英国电信研究实验室也在对砷化镓的利用进行积极的研究并取得了进展，科学研究院已给谢菲尔特大学提供了一笔资金用来添置设备以研制以砷化镓为主要材料的电子器件。

[New Scientist，1981年3月19日]

——“科普译文竞赛”征文选登