Войти
Арсенид индия-галлия (InGaAs) (альтернативно арсенид галлия-индия, GaInAs) представляет собой трехкомпонентный сплав (химический соединение ) арсенида индия (InAs) и арсенида галлия (GaAs). Индий и галлий являются элементами (группы III ) периодической таблицы, а мышьяк является элементом (группы V ). Сплавы из этих химических групп называются соединениями «III-V». InGaAs имеет промежуточные свойства между GaAs и InAs. InGaAs - это полупроводник, работающий при комнатной температуре, который применяется в электронике и фотонике.
. Принципиальное значение GaInAs - его применение в качестве высокоскоростного высокочувствительного фотодетектора. для оптоволоконных телекоммуникаций.
Арсенид индия-галлия (InGaAs) и арсенид галлия-индия (GaInAs) взаимозаменяемы. В соответствии со стандартами IUPAC предпочтительная номенклатура сплава - Ga xIn1-x As, где элементы III группы появляются в порядке увеличения атомного номера, как в соответствующем сплаве. система Al xGa1-x Ас. Безусловно, наиболее важным составом сплава с технологической и коммерческой точек зрения является Ga 0,47 In0,53 As, который может быть нанесен в виде монокристалла на фосфид индия (InP).
GaInAs не является природным материалом. Монокристаллический материал необходим для электронных и фотонных устройств. Пирсолл с соавторами были первыми, кто описал эпитаксиальный рост монокристаллов In 0,53 Ga0,47 As на (111) -ориентированных и на (100) -ориентированных подложках InP.. Монокристаллический материал в тонкопленочной форме может быть выращен путем эпитаксии из жидкой фазы (LPE), из паровой фазы (VPE), методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и металлоорганической химической осаждение из паровой фазы (MO-CVD). Сегодня большинство коммерческих устройств производится MO-CVD или MBE.
Оптические и механические свойства InGaAs можно изменять, изменяя соотношение InAs и GaAs, In. 1-x Ga. xAs. Большинство устройств InGaAs выращивают на подложках из фосфида индия (InP). Чтобы согласовать постоянную решетки InP и избежать механической деформации, используется In. 0,53 Ga. 0,47 As. Этот состав имеет край оптического поглощения при 0,75 эВ, что соответствует длине волны отсечки λ = 1,68 мкм при 295 К.
За счет дальнейшего увеличения мольной доли InAs по сравнению с GaAs можно увеличить длину волны отсечки примерно до λ = 2,6 мкм. В этом случае должны быть приняты специальные меры, чтобы избежать механической деформации из-за различий в постоянных решетки..
GaAs не соответствует решетке германию (Ge) на 0,08%. При добавлении в сплав 1,5% InAs In 0,015 Ga0,985 As становится решетчато-согласованным с подложкой Ge, уменьшая напряжение при последующем осаждении GaAs.
Рис.1 Энергетическая щель в зависимости от состава галлия для GaInAs InGaAs имеет параметр решетки, который линейно увеличивается с концентрацией InAs в сплаве. Фазовая диаграмма жидкость-твердое тело показывает, что во время затвердевания из раствора, содержащего GaAs и InAs, GaAs поглощается с гораздо большей скоростью, чем InAs, истощая раствор GaAs. Во время роста из раствора состав первого затвердевшего материала богат GaAs, в то время как последний затвердевающий материал богаче InAs. Эта особенность была использована для производства слитков InGaAs с измененным составом по длине слитка. Однако деформация, вносимая изменением постоянной решетки, приводит к тому, что слиток становится поликристаллическим и ограничивает характеристику несколькими параметрами, такими как ширина запрещенной зоны и постоянная решетки с неопределенность из-за непрерывной классификации этих образцов по составу.
Рис.2 Параметр решетки GaInAs в зависимости от содержания сплава GaAs 
Рис.3 Фотолюминесценция GaInAs n-типа и p-типа Монокристаллические эпитаксиальные пленки GaInAs могут быть нанесены на монокристаллическую подложку из полупроводника III-V, имеющую параметр решетки, близкий к параметру решетки конкретного синтезируемого сплава арсенида галлия и индия. Можно использовать три подложки: GaAs, InAs и InP. Для сохранения свойств монокристалла требуется хорошее совпадение постоянных решетки пленки и подложки, и это ограничение допускает небольшие вариации в составе порядка нескольких процентов. Следовательно, свойства эпитаксиальных пленок сплавов GaInAs, выращенных на GaAs, очень похожи на свойства GaAs, а пленки, выращенные на InAs, очень похожи на InAs, поскольку деформация рассогласования решеток обычно не допускает значительного отклонения состава от чистой бинарной подложки.
Ga. 0,47 In. 0,53 As является сплавом, параметр решетки которого совпадает с параметром решетки InP при 295 К. Решетка GaInAs, согласованная с InP, представляет собой полупроводник со свойствами, совершенно отличными от GaAs, InAs или InP. Он имеет ширину запрещенной зоны 0,75 эВ, эффективную массу электронов 0,041 и подвижность электронов, близкую к 10 000 см · В · с при комнатной температуре, и все это более благоприятно для многих электронных и фотонных устройств по сравнению с GaAs. InP или даже Si. Измерения запрещенной зоны и подвижности электронов монокристаллического GaInAs были впервые опубликованы Takeda и его сотрудниками.
| Свойство | Значение при 295 K | Ссылка |
|---|---|---|
| Параметр решетки | 5,869 Å | |
| Ширина запрещенной зоны | 0,75 эВ | |
| Эффективная масса электрона | 0,041 | |
| Легкая- эффективная масса дырки | 0,051 | |
| Подвижность электронов | 10,000 см · В · с | |
| Подвижность дырок | 250 см · В · с |
Как и у большинства материалов, параметр решетки GaInAs является функцией температуры. Измеренный коэффициент теплового расширения составляет 5,66 × 10 К. Это значительно больше, чем коэффициент для InP, который составляет 4,56 × 10 К. Пленка, которая точно согласована по решетке с InP при комнатной температуре, обычно выращивается при 650 ° C с рассогласование решетки + 6.5 × 10. Такая пленка имеет мольную долю GaAs = 0,47. Чтобы добиться согласования решетки при температуре роста, необходимо увеличить мольную долю GaAs до 0,48.
Энергия запрещенной зоны GaInAs может быть определена по пику в спектре фотолюминесценции при условии, что общая концентрация примесей и дефектов меньше 5 × 10 см. Энергия запрещенной зоны зависит от температуры и увеличивается с понижением температуры, как видно на рис. 3 для образцов как n-типа, так и p-типа. Энергия запрещенной зоны при комнатной температуре составляет 0,75 эВ и находится между Ge и Si. По совпадению ширина запрещенной зоны GaInAs идеально подходит для фотодетекторов и лазеров для длинноволнового окна передачи (C-диапазон и L-диапазон) для волоконно-оптической связи.
эффективная масса электронов GaInAs m / m ° = 0,041 является наименьшей для любого полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны более 0,5 эВ. Эффективная масса определяется из кривизны отношения энергии-импульса: более сильная кривизна приводит к более низкой эффективной массе и большему радиусу делокализации. На практике низкая эффективная масса напрямую ведет к высокой мобильности носителя, благоприятствуя более высокой скорости транспортировки и пропускной способности по току. Меньшая эффективная масса носителя также способствует увеличению туннельного тока, что является прямым результатом делокализации.
Валентная зона имеет два типа носителей заряда: легкие дырки: м / м ° = 0,051 и тяжелые дырки: м / м ° = 0,2. В электрических и оптических свойствах валентной зоны преобладают тяжелые дырки, потому что плотность этих состояний намного больше, чем у легких дырок. Это также отражается на подвижности дырок при 295 К, что в 40 раз ниже, чем у электронов.
Рис.4 Подвижность электронов и дырок в GaInAs в зависимости от концентрации примесей при 295 К. Подвижность электронов и подвижность дырок являются ключевыми параметрами для проектирования и производительность электронных устройств. Такеда и его сотрудники первыми измерили подвижность электронов в эпитаксиальных пленках InGaAs на подложках InP. Измеренные подвижности носителей для электронов и дырок показаны на рисунке 4.
Подвижность носителей в Ga. 0,47 In. 0,53 Что необычно в двух отношениях:
При комнатной температуре подвижность электронов для достаточно чистых образцов Ga. 0,47 In. 0,53 As приближается к 10 × 10 см · В · с, что является самым большим из всех технологически важных полупроводников, хотя значительно меньше, чем для графена.
Подвижность пропорциональна проводимости носителей. По мере увеличения мобильности увеличивается и допустимая нагрузка транзисторов по току. Более высокая мобильность сокращает время отклика фотодетекторов. Большая мобильность снижает последовательное сопротивление, что повышает эффективность устройства и снижает уровень шума и энергопотребление.
Константа диффузии неосновных носителей прямо пропорциональна их подвижности. Константа диффузии электронов при комнатной температуре при 250 см · с значительно больше, чем у Si, GaAs, Ge или InP, и определяет сверхбыстрый отклик Ga. 0,47 In. 0,53 As. фотоприемники.
Отношение подвижности электронов к подвижности дырок является самым большим из используемых в настоящее время полупроводников.
Рис.5 вверху: Ge-фотодиод внизу: GaInAs-фотодиод в диапазоне длин волн от 1 мкм до 2 мкм. Основное применение GaInAs - это инфракрасный детектор. Спектральный отклик фотодиода GaInAs показан на рисунке 5. Фотодиоды GaInAs являются предпочтительным выбором в диапазоне длин волн 1,1 мкм < λ < 1.7 µm. For example, compared to фотодиоды, изготовленные из Ge, фотодиоды GaInAs имеют более быстрый отклик по времени, более высокую квантовую эффективность и более низкую темноту. ток для той же области датчика. Фотодиоды на основе GaInAs были изобретены Пирсолом в 1977 году.
Лавинные фотодиоды обладают преимуществом в виде дополнительного усиления за счет времени отклика. Эти устройства особенно полезны для обнаружения одиночных фотонов в таких приложениях, как квантовое распределение ключей, где время отклика не критично. Для лавинных фотодетекторов требуется специальная конструкция для уменьшения обратного тока утечки из-за туннелирования. Первые практические лавинные фотодиоды были разработаны и продемонстрированы в 1979 году.
В 1980 году Пирсолл разработал конструкцию фотодиода, в которой используется уникально короткое время диффузии высокой подвижности электронов в GaInAs, что приводит к сверхбыстрому времени отклика. Эта структура получила дальнейшее развитие и впоследствии получила название UTC, или фотодиод с односторонним движением носителя. В 1989 году Вей и его сотрудники разработали и продемонстрировали p-i-n-GaInAs / InP-фотодиоды с временем отклика менее 5 пикосекунд для поверхности детектора размером 5 мкм x 5 мкм.
К другим важным нововведениям относятся интегрированный фотодиод - приемник на полевых транзисторах и разработка решеток фокальной плоскости на основе GaInAs.
Полупроводниковые лазеры являются важным приложением для GaInAs после фотодетекторов.. GaInAs может использоваться в качестве лазерной среды. Были сконструированы устройства, которые работают на длинах волн 905 нм, 980 нм, 1060 нм и 1300 нм. Квантовые точки InGaAs на GaAs также изучались как лазеры. Лазеры с квантовыми ямами GaInAs / InAlAs могут быть настроены для работы в окне с низкими потерями и дисперсией λ = 1500 нм для оптоволоконных телекоммуникаций. В 1994 г. квантовые ямы GaInAs / AlInAs были использованы Жеромом Фейстом и его сотрудниками, которые изобрели и продемонстрировали новый вид полупроводникового лазера, основанный на испускании фотонов электроном, совершающим оптический переход между подзонами в квантовой яме. Они показали, что области излучения фотонов можно каскадировать последовательно, создавая квантовый каскадный лазер (ККЛ). Энергия испускания фотона составляет часть энергии запрещенной зоны. Например, GaInAs / AlInAs QCL работает при комнатной температуре в диапазоне длин волн 3 мкм < λ < 8 µm. The wavelength can be changed by modifying the width of the GaInAs quantum well. These lasers are widely used for chemical sensing and pollution control.
GaInAs используется в фотовольтаике с тройным переходом, а также для генерации термофотоэлектрической энергии.
In. 0,015 Ga. 0,985 As может использоваться в качестве промежуточного перехода в запрещенной зоне в многопереходных фотоэлектрических элементах с идеальной решеткой, соответствующей Ge. Идеальное соответствие решетки Ge снижает плотность дефектов, повышая эффективность ячеек.
Устройства HEMT, использующие каналы InGaAs, являются одним из самых быстрых типов транзисторов
В 2012 году исследователи MIT объявили о самом маленьком транзисторе, когда-либо созданном из материал, отличный от кремния. Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET ) имеет длину 22 нанометра. Это многообещающее достижение, но необходимы дополнительные исследования, чтобы показать, что уменьшенный размер приводит к улучшенным характеристикам электроники по сравнению с кремниевыми или транзисторами на основе GaAs.
В 2014 году исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали прототип нового устройства, предназначенного для тестирования нанопроволок, изготовленных из сложных полупроводников, таких как InGaAs. Цель этого устройства заключалась в том, чтобы увидеть, сохранит ли составной материал свою превосходную подвижность при наноразмерных размерах в конфигурации устройства FinFET. Результаты этого теста побудили ту же группу исследователей провести дополнительные исследования транзисторов из InGaAs, которые показали, что с точки зрения постоянного тока при более низком напряжении питания InGaAs работает очень хорошо по сравнению с существующими кремниевыми устройствами.
В феврале 2015 года Intel заявила, что может использовать InGaAs для своего 7-нанометрового КМОП-процесса в 2017 году.
Синтез GaInAs, Как и в случае с GaAs, чаще всего используется арсин (AsH. 3), чрезвычайно токсичный газ. В синтезе InP также чаще всего используется фосфин (PH. 3). Вдыхание этих газов нейтрализует поглощение кислорода кровотоком и может привести к летальному исходу в течение нескольких минут при превышении токсичных доз. Для безопасного обращения необходимо использовать чувствительную систему обнаружения токсичных газов и автономный дыхательный аппарат.
После того, как GaInAs нанесен в виде тонкой пленки на подложку, он в основном инертен и устойчив к истиранию, сублимации или растворению. растворители, такие как вода, спирты или ацетон. В форме устройства объем GaInAs обычно составляет менее 1000 мкм, и им можно пренебречь по сравнению с объемом поддерживающей подложки, InP или GaAs.
Национальные институты здравоохранения изучили эти материалы и обнаружили:
Обзор токсикологического исследования NIH, проведенный Всемирной организацией здравоохранения Международным агентством по изучению рака, пришел к следующему выводу:
REACH (Регистрация, оценка, авторизация и ограничение химических веществ ) - это европейская инициатива по классификации и регулированию материалов, которые используются или производятся (даже в виде отходов) в производстве. REACH рассматривает три токсичных класса: канцерогенные, репродуктивные и мутагенные.
Процедура классификации REACH состоит из двух основных этапов. На первом этапе определяются опасности, присущие материалу, без учета того, как материал может быть использован или встречен на рабочем месте или потребителем. На втором этапе рассматривается риск вредного воздействия наряду с процедурами, которые могут снизить воздействие. И GaAs, и InP находятся на этапе 1 оценки. Основной риск воздействия возникает во время подготовки подложки, когда при шлифовке и полировке образуются частицы GaAs и InP микронного размера. То же самое относится и к нарезке пластин для изготовления отдельных устройств. Эти частицы пыли могут абсорбироваться при дыхании или проглатывании. Увеличенное отношение площади поверхности к объему таких частиц увеличивает их химическую активность.
Токсикологические исследования основаны на экспериментах на крысах и мышах. Никакие сопоставимые исследования не проверяют влияние попадания пыли GaAs или InP в жидкую суспензию.
Процедура REACH, действующая в соответствии с принципом предосторожности, интерпретирует «неадекватные доказательства канцерогенности» как «возможный канцероген». В результате Европейское химическое агентство классифицировало InP в 2010 году как канцероген и репродуктивный токсин:
и ECHA классифицировали GaAs в 2010 году как канцероген и репродуктивный токсин:
