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砷化鎵是一種化合物半導體材料，分子式GaAs。立方晶系閃鋅礦結構，即由As和Ga兩種原子各自組成面心立方晶格套構而成的復式晶格，其晶格常數是5.6419A。室溫下禁帶寬度1.428eV，是直接帶隙半導體，熔點1238℃，質量密度5.307g/cm3，電容率13.18。砷化鎵單晶的導帶為雙能谷結構，其最低能谷位于第一布里淵區中心，電子有效質量是0.068m0(m0為電子質量，見載流子)，次低能谷位于<111>方向的L點，較最低能谷約高出0.29eV，其電子有效質量為0.55m0，價帶頂約位于布里淵區中心，價帶中輕空穴和重空穴的有效質量分別為0.082m0和0.45m0。較純砷化鎵晶體的電子和空穴遷移率分別為8000cm2/(V·s)和100～300cm2/(V·s)，少數載流子壽命為10-2～10-3μs。在其中摻入Ⅵ族元素Te、Se、S等或Ⅳ族元素Si，可獲得N型半導體，摻入Ⅱ族元素Be、Zn等可制得P型半導體，摻入Cr或提高純度可制成電阻率高達107～108Ω·cm的半絕緣材料。近十余年來，由于分子束外延和金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術的發展，可在GaAs單晶襯底上制備異質結和超晶格結構，已用這些結構制成了新型半導體器件如高電子遷移率晶體管(HEMT)、異質結雙極型晶體管(HBT)及激光器等，為GaAs材料的應用開發了更廣闊的前景。
砷化鎵晶格是由兩個面心立方(fcc)的子晶格(格點上分別是砷和鎵的兩個子晶格)沿空間體對角線位移1/4套構而成。這種晶體結構在物理學上稱之為閃鋅礦結構。圖1給出了砷化鎵晶胞結構的示意圖，表1給出了在室溫下目前已知砷化鎵半導體材料的物理、電學參數。
關于砷化鎵的化學組成形式，III-V族化合物共價鍵模型認為：這類化合物形成四面體共價結合，成鍵時III族原子提供3個s2p1組態的價電子，而V族原子提供5個s2p3組態的價電子，它們之間平均每個原子有四個價電子，正好可用作形成四面體共價結合之用。這類化合物以共價結合為主，但卻混雜有部分離子結合性質。這是由于V族元素的電負性比III族元素大，組成晶體時，部分電子將從電負性低的原子(III族元素)轉移到電負性較高的原子(V族元素)中去，電荷的這種轉移(極化)使III族元素帶正電，V族元素帶負電。如果引用有效電荷Z*e這個概念來描述這種電荷轉移的程度，則“共價鍵”模型可認為砷化鎵晶體以共價結合為主，但混雜有部分離子結合性質，每個離子帶有效電荷Z*e
由于GaAs具有很高的電子遷移率，故可用于制備高速或微波半導體器件。砷化鎵還用于制作耐高溫、抗輻照或低噪聲器件，以及近紅外發光和激光器件，也用于作光電陰極材料等。更重要的是它將成為今后發展超高速半導體集成電路的基礎材料。
1. 砷化鎵電子器件的開發和利用
根據砷化鎵材料電子遷移率高的特性，它是開發超高速計算機很理想的器件材料。它的電子遷移率比硅高約5倍，它的運算速度比硅器件也高許多。在上世紀70-80年代，人們紛紛預測并看好砷化鎵材料將在超高速計算機的發展中起著重要作用，并投入了相當的人力和財力進行研究。然而，由于一些技術和成本問題，加之異軍突起而開發出的硅材料互補型金屬氧化物半導體成電路，其工作電壓低、功耗較低、速度較快、成本低，能滿足當時的器件需要。因此，形成了對砷化鎵的競爭壓力，致使砷化鎵開發超高速計算機暫時放緩了速度。近年，隨著冷戰結束，許多軍用技術都轉入民用。由于砷化鎵材料所獨具的高頻、高速、低噪聲、低工作電壓特性，它在信息的高頻高速傳送和數字化的處理方面，發揮著重大的作用。用砷化鎵材料所開發出的電子器件：如金屬半導體場效應晶體管、高遷移率晶體管、微波單片集電路、異質結雙極晶體管（CDB）等在移動通訊、光纖通訊、衛星廣播通訊、報處理以及其它一些領域發揮著硅器件不可替代的作用，這些應用的推廣大大推動了砷化鎵材料的發展。
2. 砷化鎵光電器件的應用
砷化鎵光電器件的應用方面：可見光發光二極管。由于它體積小、節能、響應快、壽命長，被廣泛應用于家電、辦公設備、廣告牌、交通信號燈及汽車尾燈等；紅外發光二極管。用作遙控器、光隔離器、編碼器及34機、辦公設備的無線連接、近距離情報傳送等；激光器。廣泛應用于CD、MD、DVD及醫療和其它一些工業領域；砷化鎵太陽電池用于衛星通訊等領域。砷化鎵器件的這些廣泛的軍、民領域的使用，極大地推動了摻雜導電性砷化鎵的發展。
技術人員在努力地提高晶體的生長質量，但晶體中還是包含大量的點缺陷，位錯和雜質。這些晶體缺陷總是時時刻刻在影響著砷化鎵器件的性能。這些缺陷的形成主要由向材料中摻雜的方式和生長時的條件狀態決定。
1.點缺陷
晶體中原子尺度范圍內的缺陷，稱為點缺陷。可存在于完美晶體或非完美晶體中。點缺陷包括晶格中的空位，填隙原子，錯位原子，在晶體生長過程中有意或無意引入的雜質原子。研究這些點缺陷在晶體中的行為具有十分重要的意義，因為這些缺陷的行為效應及缺陷類型對材料中載流子的散射、載流子數量有較大的影響，將直接關系到材料的電學性能的穩定。當這些機理研究清楚以后，我們可以通過有意的在晶體材料生長過程中摻雜引入有益缺陷，從而達到改善晶體料電學性能的目的。
2. 位錯
一系列連續的點缺陷貫穿晶體某一區域，就形成了位錯。當晶體晶格所受的應力超過了晶格發生彈性形變所需的最大彈力時，便可產生這種連續的缺陷。如果將晶體制作成一薄片，并經磨平和拋光，那么薄片上位錯露頭的地方在化學試劑腐蝕的作用下可表現出一些獨特的腐蝕坑形貌。這些腐蝕坑形貌僅存在于位錯附近一定距離內的位置處。半導體工業的砷化鎵晶片加工技術中，規定單位面積腐蝕坑數量為晶片的位錯密度(EtchPitDensity-EPD)。位錯的存在，相當于在半導體內部形成了一個散射通道，這將會加速半導體中載流子的散射。如果用能帶理論去描述的話，就相當于在禁帶中引入了一個捕獲中心，這樣會改變晶片刻蝕時的性能效果，直接導致的后果是改變了器件的電性能。研究表明，在場效應晶體管中，由于位錯效應，會給源溝道電流、柵電壓、載流子濃度和襯底電阻率等帶來不利影響。
3. 砷化鎵中的雜質
在晶體生長過程中，會有意或無意地引入雜質。一般情況下，引入的雜質都是具有電活性的，但是有一些引進的污染會在晶體中形成空位，從而不具有電活性。規定摻入的雜質在半導體中要么是施主原子，要么是受主原子。施主原子是比其替代的原子多一個或一個以上的電子，這些多出的電子在晶體中可以自由移動從而形成電流；相反，受主原子是比其替代的原子少一個或一個以上的電子，因此，受主原子可以捕獲晶體中的自由移動的電子。不管是在半導體中摻入哪一種類型的雜質，都會導致半導體材料電學性能的改變。淺施主雜質能級和淺受主雜質能級分別位于禁帶中靠近導帶和價帶的3kT能量范圍內。由于使雜質能級中的載流子躍遷到其對應的較高能級中所需能量非常小，所以在室溫下，一般認為半導體中的雜質是完全電離的。
因為費米能級是表示能帶中電子填充能級的水平，所以費米能級隨所摻入的摻雜劑的種類而從中間位置移到雜質能級附近。換句話說，當摻入施主雜質時，費米能級將會移動靠近導帶，費米能級與導帶底的能級差隨著摻雜濃度的增加而減小；受主雜質在導帶中的行為與施主雜質恰恰相反。砷化鎵中摻雜的目的就是為了引入淺施主或淺受主雜質。如果引進雜質的能級位于禁帶寬度中心區域，則稱這種雜質為深能級雜質。一般情況下，深能級雜質由于減少載流子的壽命從而會影響器件性能。兩種類型的雜質，即不管是淺能級雜質還是深能級雜質，通過與砷原子或鎵原子的復雜結合而存在于砷化鎵晶體中。硅就是目前得到最廣泛研究的一種摻雜劑，這種四族元素，在低溫下與砷化鎵作用，可形成p型材料，在高溫下與砷化鎵作用，可形成n型材料。鉻在砷化鎵中是深受主原子，它的雜質能級接近禁帶中心位置，利用這一特點，可以在淺n型砷化鎵材料中通過摻鉻進行補償而得到半絕緣材料。其它的元素，如銅、氧、硒、碲、錫等在砷化鎵中的行為也得到了廣泛的研究，這樣，我們可根據器件設計的需求進行摻雜得到n型或p型砷化鎵。
制備GaAs單晶的方法有區熔法和液封直拉法。用擴散、離子注入、氣相或液相外延及蒸發等方法可制成PN結、異質結、肖特基結和歐姆接觸等。
[1] 中國電力百科全書·電工技術基礎卷
[2] 砷化鎵材料
[3] 砷化鎵材料的發展與前景