[科普中国]-砷化镓存储器

砷化镓是镓和砷两种元素所合成的化合物，也是重要的IIIA族、VA族化合物半导体材料，用来制作微波集成电路、红外线发光二极管、半导体激光器和太阳电池等元件。砷化镓存储器是指采用砷化镓半导体存储器件和外围电路组成的高速存储器。按照其存储方式分为高速随机存储器与快速串行电荷耦合存储器两种类型。

简介存储器是一种利用半导体技术制成的存储数据的电子设备。其电子电路中的数据以二进制方式存储，存储器的每一个存储单元称做记忆。砷化镓存储器是存储器的材料是砷化镓半导体。主要砷化镓材料的特殊结构使其具备优良特性。根据量子力学原理，电子的有效质量越小，它的运动速度就越快，而砷化镓中电子的有效质量是自由电子质量的1/15，只有硅电子的1/3。用砷化镓制成的晶体管的开关速度，比硅晶体管快1～ 4倍，用这样的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机。因为砷化镓的电子运动速度很高，用它可以制备工作频率高达1010赫兹的微波器件，在卫星数据传输、通信、军用电子等方面具有关键性作用1。

类型砷化镓高速随机存储器

砷化镓电子迁移率高（约为一般硅材料的7倍），而且材料的本征电阻率大，有利于提高存储单元的开关速度。砷化镓半导体材料禁带宽，工作温度高，抗辐射能力强。砷化镓器件在速度和集成度方面均可达到射极耦合逻辑器件的水平，而功耗比射极耦合逻辑器件低。

砷化镓存储信息的单元是砷化镓-金属-半导体场效应管构成。砷化镓-金属-半导体场效应管的工作原理和结构同硅场效应管相似。与砷金属-氧化物-半导体场效应管的差别在于它的肖特基二极管是在金属栅和砷化镓界面处形成，可提高沟道电流，进而提高存储的速度。砷化镓-金属-半导体场效应管有耗尽型和增强型。耗尽型在零栅条件下扔导通，漂移大，大规模集成存储单元难度极大。增强型在零栅电压条件下，依靠其栅极PN结或肖特基势垒的自建势，使沟道夹断，没有导通电流，当加以正压补偿其自建势垒，达到某一阈值，沟道才开始导通。因此器件抗干扰、抗辐射能力强。砷化镓高速随机存储器存储单元大多数使用增强型砷化镓-金属-半导体场效应管直接耦合逻辑构成。

一般砷化镓静态随机存取存储器逻辑电路采用直接耦合场效应管逻辑（DCFL），虽然逻辑电平摆幅小，但功耗低。这种直接耦合逻辑阵列，可由用户根据存储单元安排进行设计布线。直接耦合场效应管逻辑采用细长金属栅结构，这种结构漏电电流小，有利于提高集成度。

砷化镓快速串行电荷耦合存储器

砷化镓半导体器件工作效率高，电荷转移效率可达99.99%，是理想的电荷耦合器件，已制成3.2位高集成度电荷耦合器件存储器，它可用于图像信息存储，也是光计算机的重要存储器件。由于半导体量子光电子学技术的发展，可生长一种人工改性的超微结构的半导体材料，即量子阱超晶格材料、如砷化镓异质材料，这种砷化镓材料有较好的光电子特性，它和电荷耦合存储技术相结合，可以构造较理想的图像信息存储器2。

砷化镓砷化镓属III-V族化合物半导体材料，由化学元素周期表中III族元素镓和V族元素砷化合而成。砷化镓材料最早见报于1929年，是由一位名叫高德斯密特(Goldschmidt)的科学家合成出来的，但是，直到1952年，才出现了有关砷化镓在半导体电学性能方面的研究报道。随着现代工业冶炼提纯技术的进步和微电子技术的发展，砷化镓材料已是III-V族化合物半导 体材料中应用最为广泛、相关技术最为成熟的材料。采用半绝缘砷化镓材料制作的超高速集成电路和微波毫米波单片集成电路，是雷达，电子对抗，计算机，卫星通信设备提高速度的关键电路，亦广泛用于蜂窝电话，数字个人通信，光纤通信以及航天系统等领域；采用低阻低位错砷化镓材料可制作半导体发光器件，如发光二极管(LED)和固体半导体激光器(LD)。尤其是以低位错砷化镓材料为衬底制作的各种发光LED，具有耗电量小、寿命长﹑发热量少、反应速率快﹑体积小﹑耐碰撞、适合多种环境等许多优点，是当今半导体照明工程中不可 或缺的一大材料分支，其相关产品已在室内及户外显示、LCD背光源、全彩显示屏、交通信号灯、汽车灯具等领域得到了广范应用。

砷化镓晶格是由两个面心立方(fcc)的子晶格(格点上分别是砷和镓的两个子晶格)沿空间体对角线位移1/4套构而成。这种晶体结构在物理学上称之为闪锌矿结构。这类化合物以共价结合为主，但却混杂有部分离子结合性质。这是由于V族元素的电负性比III族元素大，组成晶体时，部分电子将从电负性低的原子(III族元素)转移到电负性较高的原子(V族元素)中去，电荷的这种转移(极化)使III族元素带正电，V族元素带负电。如果引用有效电荷Z*e这个概念来描述这种电荷转移的程度，则“共价键”模型可认为砷化镓晶体以共价结合为主，但混杂有部分离子结合性质，每个离子带有效电荷Z*e。

在微波应用领域，砷化镓与硅相比有几个明显的优点：高迁移率，高饱合漂移速度和较强的半绝缘能力。当半导体处于外场中时，在相继两次散射之间的自由时间内，载流子(比如电子)将被外场加速，从而获得沿一定方向的加速度。因此，在有外场存在时，载流子除了做无规则的热运动外，还存在着沿一定方向的有规则的漂移运动，漂移运动的速度称为漂移速度( v )，最大漂移速度称为饱合漂移速度。砷化镓的电子漂移速度达到一个峰值然后开始下降。半绝缘砷化镓最为重要的一个性能在于它的绝缘性，通过区域离子注入，其衬底内部仍然能保持电隔离。这样的性质，使其非常适合用作生产集成电路所用衬底的材料。另外，半绝缘砷化镓材料制成的器件，其寄生电容很小，这样可用来制造一些快速器件，比如开发的单片微波集成电路3。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学