Арсенид индия и галлия (InGaAs) (альтернативно арсенид галлия и индия, GaInAs) представляет собой тройной сплав ( химическое соединение ) арсенида индия (InAs) и арсенида галлия (GaAs). Индий и галлий являются элементами III группы периодической таблицы, а мышьяк является элементом V группы . Сплавы, изготовленные из этих химических групп, называются соединениями "III-V" . InGaAs имеет промежуточные свойства между свойствами GaAs и InAs. InGaAs является полупроводником комнатной температуры , применяемым в электронике и фотонике .
Основное значение GaInAs заключается в его применении в качестве высокоскоростного, высокочувствительного фотодетектора, подходящего для оптоволоконных телекоммуникаций. [1]
Арсенид галлия индия (InGaAs) и арсенид галлия-индия (GaInAs) используются взаимозаменяемо. Согласно стандартам IUPAC [2] предпочтительная номенклатура для сплава - Ga x In 1-x As, где элементы группы III располагаются в порядке увеличения атомного номера, как в родственной системе сплава Al x Ga 1-x As. Безусловно, наиболее важным составом сплава с технологической и коммерческой точек зрения является Ga 0,47 In 0,53 As, который может быть осажден в виде монокристалла на фосфиде индия (InP).
GaInAs не является природным материалом. Монокристаллический материал требуется для электронных и фотонных устройств. Пирсолл и его коллеги были первыми, кто описал монокристаллический эпитаксиальный рост In 0,53 Ga 0,47 As на подложках InP с ориентацией (111) [3] и (100) [4] . Монокристаллический материал в виде тонкой пленки можно выращивать методом эпитаксии из жидкой фазы (LPE), паровой фазы (VPE), методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE) и методом химического осаждения из паровой фазы металлоорганических соединений (MO-CVD). [5] Сегодня большинство коммерческих устройств производятся методом MO-CVD или MBE.
Оптические и механические свойства InGaAs можно изменять, изменяя соотношение InAs и GaAs, In
1-xГа
хКак . [6] Большинство устройств InGaAs выращиваются на подложках из фосфида индия (InP). Чтобы соответствовать постоянной решетки InP и избежать механических напряжений, In
0,53Га
0,47Используется As . Этот состав имеет оптический край поглощения при 0,75 эВ, что соответствует критической длине волны λ=1,68 мкм при 295 К.
Увеличивая мольную долю InAs по сравнению с GaAs, можно расширить длину волны отсечки примерно до λ=2,6 мкм. В этом случае необходимо принять специальные меры, чтобы избежать механических напряжений из-за различий в постоянных решеток .
Решетка GaAs не совпадает с решеткой германия (Ge) на 0,08%. При добавлении 1,5% InAs в сплав, In 0,015 Ga 0,985 As становится согласованной с решеткой подложки Ge, что снижает напряжение при последующем осаждении GaAs.
InGaAs имеет параметр решетки, который линейно увеличивается с концентрацией InAs в сплаве. [7] Диаграмма фазового состояния жидкость-твердое тело [3] 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 затвердевающего материала богат GaAs, в то время как последний затвердевающий материал богаче InAs. Эта особенность была использована для получения слитков InGaAs с градиентным составом по длине слитка. Однако деформация, вызванная изменением постоянной решетки, приводит к тому, что слиток становится поликристаллическим и ограничивает характеристику несколькими параметрами, такими как ширина запрещенной зоны и постоянная решетки с неопределенностью из-за непрерывного изменения состава в этих образцах.
Монокристаллические эпитаксиальные пленки GaInAs могут быть нанесены на монокристаллическую подложку полупроводника III-V, имеющего параметр решетки, близкий к параметру решетки конкретного сплава арсенида галлия-индия, который должен быть синтезирован. Можно использовать три подложки: GaAs, InAs и InP. Для сохранения свойств монокристалла требуется хорошее соответствие между постоянными решетки пленки и подложки , и это ограничение допускает небольшие изменения состава порядка нескольких процентов. Поэтому свойства эпитаксиальных пленок сплавов GaInAs, выращенных на GaAs, очень похожи на GaAs, а выращенные на InAs, очень похожи на InAs, поскольку деформация несоответствия решеток, как правило, не допускает значительного отклонения состава от чистой бинарной подложки.
Га
0,47В
0,53Как и сплав, параметр решетки которого совпадает с параметром решетки InP при 295 К. GaInAs, согласованный по решетке с InP, является полупроводником со свойствами, существенно отличающимися от свойств GaAs, InAs или InP. Он имеет ширину запрещенной зоны 0,75 эВ, эффективную массу электронов 0,041 и подвижность электронов, близкую к 10 000 см2 · В −1 ·с −1 при комнатной температуре, все из которых более благоприятны для многих применений электронных и фотонных устройств по сравнению с GaAs, InP или даже Si. [1] Измерения ширины запрещенной зоны и подвижности электронов монокристаллического GaInAs были впервые опубликованы Такедой и его коллегами. [9]
Как и у большинства материалов, параметр решетки GaInAs является функцией температуры. Измеренный коэффициент теплового расширения [13] равен5,66 × 10−6 K −1 . Это значительно больше коэффициента для InP, который равен4,56 × 10−6 K −1 . Пленка , которая точно соответствует решетке InP при комнатной температуре, обычно выращивается при 650 °C с несоответствием решетки +6,5 × 10−4 . Такая пленка имеет мольную долю GaAs = 0,47 . Для получения согласования решеток при температуре роста необходимо увеличить мольную долю GaAs до 0,48.
Энергию запрещенной зоны GaInAs можно определить по пику в спектре фотолюминесценции при условии, что общая концентрация примесей и дефектов меньше5 × 10 16 см −3 . Энергия запрещенной зоны зависит от температуры и увеличивается с понижением температуры, как можно видеть на рис. 3 для образцов как n-типа, так и p-типа. Энергия запрещенной зоны при комнатной температуре для стандартного InGaAs/InP (53% InAs, 47% GaAs) составляет 0,75 эВ и лежит между значениями для Ge и Si. По совпадению запрещенная зона GaInAs идеально подходит для фотодетекторных и лазерных приложений для длинноволнового окна пропускания (C-диапазон и L-диапазон) для волоконно-оптической связи .
Эффективная масса электронов GaInAs m * /m° = 0,041 [10] является наименьшей для любого полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны более 0,5 эВ. Эффективная масса определяется из кривизны соотношения энергии и импульса: более сильная кривизна приводит к меньшей эффективной массе и большему радиусу делокализации. С практической точки зрения, низкая эффективная масса напрямую приводит к высокой подвижности носителей, что способствует более высокой скорости транспорта и пропускной способности тока. Более низкая эффективная масса носителей также способствует увеличению туннельного тока, что является прямым результатом делокализации.
Валентная зона имеет два типа носителей заряда: легкие дырки: m * /m° = 0,051 [11] и тяжелые дырки: m * /m° = 0,2. [14] Электрические и оптические свойства валентной зоны определяются тяжелыми дырками, поскольку плотность этих состояний намного больше, чем у легких дырок. Это также отражается в подвижности дырок при 295 К, которая в 40 раз ниже, чем у электронов.
Подвижность электронов и подвижность дырок являются ключевыми параметрами для проектирования и производительности электронных устройств. Такеда и его коллеги были первыми, кто измерил подвижность электронов в эпитаксиальных пленках InGaAs на подложках InP. [9] Измеренные подвижности носителей для электронов и дырок показаны на рисунке 4.
Подвижность носителей в Га
0,47В
0,53Это необычно в двух отношениях:
Подвижность электронов при комнатной температуре для достаточно чистых образцов Ga
0,47В
0,53По мере приближения10 × 10 3 см 2 ·В −1 ·с −1 , что является наибольшим показателем среди всех технологически важных полупроводников, хотя и значительно меньше, чем у графена .
Подвижность пропорциональна проводимости носителей. С ростом подвижности увеличивается и токонесущая способность транзисторов. Более высокая подвижность сокращает время отклика фотодетекторов . Большая подвижность уменьшает последовательное сопротивление, и это повышает эффективность устройства и снижает шум и энергопотребление.
Константа диффузии неосновных носителей заряда прямо пропорциональна подвижности носителей заряда. Константа диффузии электронов при комнатной температуре при250 см 2 ·с −1 значительно больше, чем у Si, GaAs, Ge или InP, и определяет сверхбыстрый отклик Ga
0,47В
0,53В качестве фотодетекторов.
Соотношение подвижности электронов и дырок является самым большим среди используемых в настоящее время полупроводников.
Основное применение GaInAs — 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 мкм. Например, по сравнению с фотодиодами, изготовленными из Ge, фотодиоды GaInAs имеют более быстрое время отклика, более высокую квантовую эффективность и более низкий темновой ток для той же площади сенсора. [16] Фотодиоды GaInAs были изобретены в 1977 году Пирсоллом. [17]
Лавинные фотодиоды предлагают преимущество дополнительного усиления за счет времени отклика. Эти устройства особенно полезны для обнаружения отдельных фотонов в таких приложениях, как распределение квантового ключа , где время отклика не является критическим. Лавинные фотодетекторы требуют специальной структуры для уменьшения обратного тока утечки из-за туннелирования. Первые практические лавинные фотодиоды были разработаны и продемонстрированы в 1979 году. [18]
В 1980 году Пирсолл разработал конструкцию фотодиода, которая использует уникально короткое время диффузии высокой подвижности электронов в GaInAs, что приводит к сверхбыстрому времени отклика. [19] [20] Эта структура была доработана и впоследствии названа UTC, или фотодиодом с однопутешествующим носителем. [21] В 1989 году Вей и его коллеги [22] разработали и продемонстрировали штыревые фотодиоды GaInAs/InP со временем отклика менее 5 пикосекунд для поверхности детектора размером 5 мкм x 5 мкм.
Другие важные инновации включают интегрированный фотодиод – приемник FET [23] и разработку матриц фокальной плоскости GaInAs. [24]
Полупроводниковые лазеры являются важным применением GaInAs после фотодетекторов. GaInAs может использоваться в качестве лазерной среды. Были созданы устройства, работающие на длинах волн 905 нм, 980 нм, 1060 нм и 1300 нм. Квантовые точки InGaAs на GaAs также изучались в качестве лазеров. [25] Лазеры с квантовыми ямами GaInAs/ InAlAs могут быть настроены для работы в окне с малыми потерями и низкой дисперсией λ = 1500 нм для оптоволоконных телекоммуникаций [26] В 1994 году квантовые ямы GaInAs/ AlInAs были использованы Жеромом Фэстом и его коллегами [27], которые изобрели и продемонстрировали новый тип полупроводникового лазера, основанный на испускании фотона электроном, совершающим оптический переход между подзонами в квантовой яме. Они показали, что области испускания фотонов могут быть каскадированы последовательно, создавая квантовый каскадный лазер (QCL). Энергия испускания фотонов составляет часть энергии запрещенной зоны. Например, GaInAs/ AlInAs QCL работает при комнатной температуре в диапазоне длин волн 3 мкм < λ < 8 мкм. Длину волны можно изменить, изменив ширину квантовой ямы GaInAs. [28] Эти лазеры широко используются для химического зондирования и контроля загрязнения.
GaInAs используется в тройных фотоэлектрических преобразователях , а также для термофотоэлектрической генерации электроэнергии. [29]
В
0,015Га
0,985As может использоваться в качестве промежуточного запрещенного перехода в многопереходных фотоэлектрических элементах с идеальным соответствием решетки Ge. Идеальное соответствие решетки Ge снижает плотность дефектов, повышая эффективность элемента. [ необходима цитата ]
Устройства HEMT , использующие каналы InGaAs, являются одними из самых быстрых типов транзисторов [30] [ необходима цитата ]
В 2012 году исследователи Массачусетского технологического института объявили о создании самого маленького транзистора, когда-либо созданного из материала, отличного от кремния. [31] Полевой транзистор на основе металл-оксида-полупроводника ( MOSFET ) имеет длину 22 нанометра. Это многообещающее достижение, но необходимо провести больше исследований, чтобы показать, что уменьшенный размер приводит к улучшению электронных характеристик по сравнению с транзисторами на основе кремния или GaAs.
В 2014 году исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали прототип нового устройства, предназначенного для тестирования нанопроводов из сложных полупроводников, таких как InGaAs. [32] Целью этого устройства было выяснить, сохранит ли составной материал свою превосходную подвижность в наномасштабных размерах в конфигурации устройства FinFET. Результаты этого теста побудили ту же исследовательскую группу провести дополнительные исследования транзисторов из InGaAs, которые показали, что с точки зрения тока включения при более низком напряжении питания InGaAs показал себя очень хорошо по сравнению с существующими кремниевыми устройствами.
В феврале 2015 года Intel сообщила, что может использовать InGaAs для своего 7-нанометрового КМОП-процесса в 2017 году. [33]
Синтез GaInAs, как и GaAs, чаще всего связан с использованием арсина ( AsH
3), чрезвычайно токсичный газ. Синтез InP также чаще всего включает фосфин ( PH
3). Вдыхание этих газов нейтрализует поглощение кислорода кровотоком и может привести к летальному исходу в течение нескольких минут, если превышены уровни токсичной дозы. Безопасное обращение подразумевает использование чувствительной системы обнаружения токсичных газов и автономного дыхательного аппарата. [34]
После того, как GaInAs нанесен в виде тонкой пленки на подложку, он в основном инертен и устойчив к истиранию, сублимации или растворению обычными растворителями, такими как вода, спирты или ацетоны . В форме устройства объем GaInAs обычно меньше, чем1000 мкм 3 , и им можно пренебречь по сравнению с объемом поддерживающей подложки, InP или GaAs.
Национальные институты здравоохранения изучили эти материалы и обнаружили: [35]
Обзор токсикологического исследования Национальных институтов здравоохранения, проведенный Международным агентством по изучению рака Всемирной организации здравоохранения, пришел к следующему выводу: [36]
REACH ( Регистрация, оценка, разрешение и ограничение химических веществ ) — европейская инициатива по классификации и регулированию материалов, которые используются или производятся (даже в качестве отходов) в производстве. REACH рассматривает три класса токсичности: канцерогенные, репродуктивные и мутагенные способности.
Процедура классификации REACH состоит из двух основных фаз. На первой фазе определяются опасности, присущие материалу, без учета того, как материал может использоваться или с которым может столкнуться на рабочем месте или потребитель. На второй фазе рассматривается риск вредного воздействия вместе с процедурами, которые могут смягчить воздействие. И GaAs, и InP находятся на стадии оценки 1 фазы. Основной риск воздействия возникает во время подготовки подложки, когда шлифовка и полировка образуют микронные частицы GaAs и InP. Аналогичные опасения применимы к нарезке пластин для изготовления отдельных устройств. Эта пыль из частиц может поглощаться при вдыхании или проглатывании. Увеличенное отношение площади поверхности к объему для таких частиц увеличивает их химическую реактивность.
Токсикологические исследования основаны на экспериментах с крысами и мышами. Ни одно сопоставимое исследование не проверяет эффекты попадания пыли GaAs или InP в жидкую суспензию.
Процедура REACH, действующая в соответствии с принципом предосторожности , интерпретирует «недостаточные доказательства канцерогенности» как «возможный канцероген». В результате Европейское химическое агентство классифицировало InP в 2010 году как канцероген и репродуктивный токсин: [37]
и ECHA классифицировало GaAs в 2010 году как канцероген и репродуктивный токсин:
{{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь )