[01209936]高纯镓的制备技术及应用

砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）Ⅲ～Ⅴ族化合物半导体是继硅之后最重要的电子信息材料,直接影响着高端电子信息产业的发展。半导体器件性能对杂质含量极其敏感,GaAs基半导体技术的发展曾长期受限于高纯镓（6N级以上）的供给。事实上,1973年获得诺贝尔物理奖的GaAs隧道二极管,也曾因GaAs纯度低存在显著的“蜕化”现象而无实际商用价值。直到上世纪八十年代,高纯镓制备技术在国外取得突破,用7N高纯镓制备出无掺杂半绝缘GaAs本征半导体,其性能才得到质的飞跃,从而开始真正的大规模商业应用。但高纯镓制备技术长期被法国GEO Gallium、美国Recapture Metals Ltd等少数公司垄断,严重制约了我国在该领域的进步。此外,高纯镓还是制备GaN等薄膜（制造LED、激光器等）用三甲基镓的关键材料。因此,高纯镓的重要性十分突出和迫切。 镓化学性质活泼,极易与氧、硫、卤素反应,侵蚀几乎所有的金属,极易被污染,是第八类腐蚀品,高纯镓的制备非常困难。 高纯镓主要由工业粗镓提纯而得到。作为稀有金属元素,镓主要微量伴生于铝矾土矿、闪锌矿等矿石中。工业粗镓主要来源：1)铝土矿提取铝或锌矿石提取锌的副产物;2)GaAs等废料回收。粗镓中含有多种杂质元素,有的电极电位与镓极为接近,电解精炼无法去除;有的杂质在镓中分凝系数接近1,且镓极易过冷而发生“暴凝”现象（熔点为29.78℃,但液态纯镓可过冷至-18℃）,公开数据库缺少大量杂质元素在高纯镓中的分凝系数等参数,限制了部分结晶技术的应用。以上因素限制了高纯镓的研制。2004年,世界最大GaAs晶片生产商—日本住友电工公开宣称“中国大陆没有高纯镓”!事实上,当时国内研制的少量6N镓,实际纯度仅为5N级,国内痕量杂质检测技术也难以满足纯度高于6N的检测要求。 高纯镓的缺乏,严重制约了我国半导体材料研究和电子信息产业的发展。作为国家半导体锗的生产基地,南京锗厂是我国最早从事镓研究的单位之一,2000年已形成电解法生产4N镓的技术。在南京锗厂的基础上,2002年起,东南大学与金美镓业合作,历经十年,先后投入3000多万元,从基础试验数据测量开始,逐渐形成大密度差液—液萃取技术、高效电解精炼技术、纵向温度梯度部分结晶提纯技术等三大核心技术,实现了高纯镓制备技术的突破,并研制出专用生产装备,实现了高效工业化生产。拥有自主知识产权（获授权国家发明专利8项,实用新型专利4项）,打破了国际垄断。 金美镓业公司已形成6N、7N、MBE级（7N+,8N）高纯镓系列产品。2012年,高纯镓产量达60吨,约占世界总产量30%,是国内唯一能提供7N级和MBE级高纯镓的生产商,并出口美国AXT和Triquint、德国Freiberger、法国Picogica、日本Sumitomo等公司,成为世界顶级高纯镓生产商;同时,供给中科院物理所、工信部第13研究所、中科院半导体所、北京大学宽禁带半导体国家重点实验室等研究机构,以及北京通美晶体、中科晶电等国内GaAs晶片和MO源制造商,有力推动了我国半导体材料研究和光电子产业的发展。 项目累计生产高纯镓110余吨,实现销售收入5亿余元,出口创汇2300余万美元,产生了显著的经济效益和社会效益。