Indium galliumarsenid

Indiumgalliumarsenid (InGaAs) (alternativt galliumindiumarsenid, GaInAs) är en ternär legering ( kemisk förening ) av indiumarsenid (InAs) och galliumarsenid (GaAs). Indium och gallium är ( grupp III ) grundämnen i det periodiska systemet medan arsenik är ett ( grupp V ) grundämne. Legeringar gjorda av dessa kemiska grupper kallas "III-V"-föreningar . InGaAs har egenskaper som ligger mellan de hos GaAs och InAs. en rumstemperaturhalvledare med tillämpningar inom elektronik och fotonik .

Den huvudsakliga betydelsen av GaInAs är dess tillämpning som en höghastighets, högkänslig fotodetektor för optisk fibertelekommunikation.

Nomenklatur

Indiumgalliumarsenid (InGaAs) och gallium-indiumarsenid (GaInAs) används omväxlande. Enligt IUPAC- standarder är den föredragna nomenklaturen för legeringen Ga x In 1-x As där grupp-III-elementen uppträder i ordning efter ökande atomnummer, som i det relaterade legeringssystemet Al x Ga 1-x As. Den överlägset viktigaste legeringssammansättningen ur teknisk och kommersiell synvinkel är Ga 0,47 In 0,53 As, som kan avsättas i enkristallform på indiumfosfid (InP).

Materialsyntes

GaInAs är inte ett naturligt förekommande material. Enkristallmaterial krävs för tillämpningar av elektroniska och fotoniska enheter. Pearsall och medarbetare var de första som beskrev epitaxiell enkristalltillväxt av In 0,53 Ga 0,47 Som på (111)-orienterade och på (100)-orienterade InP-substrat. Enkristallmaterial i tunnfilmsform kan odlas genom epitaxi från vätskefasen (LPE), ångfas (VPE), genom molekylär strålepitaxi (MBE) och genom metallorganisk kemisk ångavsättning (MO-CVD). Idag produceras de flesta kommersiella enheter av MO-CVD eller av MBE.


mekaniska In
1-x Gax As egenskaperna hos InGaAs kan varieras genom att ändra förhållandet mellan InAs och GaAs, . De flesta InGaAs-enheter odlas på indiumfosfid (InP) substrat. För att matcha gitterkonstanten för InP och undvika mekanisk töjning används In
0,53 Ga
0,47 As . Denna komposition har en optisk absorptionskant vid 0,75 eV, motsvarande en gränsvåglängd på λ=1,68 μm vid 295 K.

Genom att öka molfraktionen av InAs ytterligare jämfört med GaAs är det möjligt att förlänga cut-off-våglängden upp till cirka λ=2,6 μm. I så fall måste särskilda åtgärder vidtas för att undvika mekanisk påkänning från skillnader i gitterkonstanter .

GaAs är gitterfelmatchat till germanium (Ge) med 0,08 %. Med tillsats av 1,5 % InAs till legeringen, blir In 0,015 Ga 0,985 As latticed-matchad till Ge-substratet, vilket minskar spänningen vid efterföljande avsättning av GaAs.

Elektroniska och optiska egenskaper

Fig. 1 Energigap kontra galliumsammansättning för GaInAs

InGaAs har en gitterparameter som ökar linjärt med koncentrationen av InAs i legeringen. Vätske- fastfasdiagrammet visar att under stelning från en lösning som innehåller GaAs och InAs tas GaAs upp med en mycket högre hastighet än InAs, vilket utarmar lösningen på GaAs. Under tillväxt från lösning är sammansättningen av det första materialet som stelnar rik på GaAs medan det sista materialet som stelnar är rikare på InAs. Denna egenskap har utnyttjats för att producera göt av InGaAs med graderad sammansättning längs götet. Töjningen som introduceras av den förändrade gitterkonstanten gör dock att götet är polykristallint och begränsar karakteriseringen till några få parametrar, såsom bandgap och gitterkonstant med osäkerhet på grund av den kontinuerliga sammansättningsgraderingen i dessa prover.

Fig.2 Gitterparameter för GaInAs vs GaAs-legeringsinnehåll
Fig. 3 Fotoluminescens av GaInAs av n-typ och p-typ

Egenskaper för enkristall GaInAs

Enkristall GaInAs

Enkristallepitaxiella filmer av GaInAs kan avsättas på ett enkristallsubstrat av III-V-halvledare med en gitterparameter nära den för den specifika galliumindiumarsenidlegeringen som ska syntetiseras. Tre substrat kan användas: GaAs, InAs och InP. En bra matchning mellan gitterkonstanterna för filmen och substratet krävs för att bibehålla enkristallegenskaper och denna begränsning tillåter små variationer i sammansättning i storleksordningen några få procent. Därför är egenskaperna hos epitaxiella filmer av GaInAs-legeringar odlade på GaAs mycket lika GaAs och de som odlas på InAs är mycket lika InAs, eftersom gitterfelanpassningsstamning i allmänhet inte tillåter signifikant avvikelse av kompositionen från det rena binära substratet.

Ga
0,47 In
0,53 As är legeringen vars gitterparameter matchar den för InP vid 295 K. GaInAs gittermatchad till InP är en halvledare med egenskaper som helt skiljer sig från GaAs, InAs eller InP. Den har ett energibandgap på 0,75 eV, en elektroneffektiv massa på 0,041 och en elektronrörlighet nära 10 000 cm 2 ·V −1 ·s −1 vid rumstemperatur, vilka alla är mer gynnsamma för många elektroniska och fotoniska anordningar. jämfört med GaAs, InP eller till och med Si. Mätningar av bandgapet och elektronrörligheten hos enkristall GaInAs publicerades först av Takeda och medarbetare.

Fast egendom Värde på 295 K Referens
Gitterparameter 5.869 Å
Bandgap 0,75 eV
Elektroneffektiv massa 0,041
Ljushålseffektiv massa 0,051
Elektronrörlighet 10 000 cm 2 ·V −1 ·s −1
Hålrörlighet 250 cm 2 ·V −1 ·s −1

FCC gitterparameter

Liksom de flesta material är gitterparametern för GaInAs en funktion av temperaturen. Den uppmätta termiska expansionskoefficienten är 5,66 × 10 −6 K −1 . Detta är betydligt större än koefficienten för InP som är 4,56 × 10 −6 K −1 . En film som är exakt gittermatchad till InP vid rumstemperatur odlas vanligtvis vid 650 °C med en gittermissanpassning på + 6,5 × 10 −4 . En sådan film har en molfraktion av GaAs = 0,47. För att erhålla gittermatchning vid tillväxttemperaturen är det nödvändigt att öka GaAs-molfraktionen till 0,48.

Bandgap energi

Bandgap-energin för GaInAs kan bestämmas från toppen i fotoluminescensspektrumet , förutsatt att den totala förorenings- och defektkoncentrationen är mindre än 5 × 10 16 cm −3 . Bandgapsenergin beror på temperaturen och ökar när temperaturen minskar, vilket kan ses i fig. 3 för prover av både n-typ och p-typ. Bandgapenergin vid rumstemperatur är 0,75 eV och ligger mellan den för Ge och Si. Av en slump är bandgapet för GaInAs perfekt placerat för fotodetektor- och laserapplikationer för överföringsfönstret med lång våglängd (C-bandet och L-bandet) för fiberoptisk kommunikation .

Effektiv massa

Den elektroneffektiva massan för GaInAs m * /m° = 0,041 är den minsta för något halvledarmaterial med ett energibandgap större än 0,5 eV. Den effektiva massan bestäms från krökningen av förhållandet energi-momentum: starkare krökning översätts till lägre effektiv massa och en större delokaliseringsradie. I praktiska termer leder en låg effektiv massa direkt till hög transportörsrörlighet, vilket gynnar högre transporthastighet och nuvarande bärförmåga. En lägre effektiv massa gynnar också ökad tunnelström, ett direkt resultat av delokalisering.

Valensbandet har två typer av laddningsbärare: lätta hål: m * /m° = 0,051 och tunga hål: m * /m° = 0,2. Valensbandets elektriska och optiska egenskaper domineras av de tunga hålen, eftersom tätheten för dessa tillstånd är mycket större än för lätta hål. Detta återspeglas också i rörligheten för hål vid 295 K, vilket är en faktor 40 lägre än för elektroner.

Fig.4 Elektron- och hålrörlighet för GaInAs vs föroreningskoncentration vid 295 K.

Rörlighet av elektroner och hål

Elektronrörlighet och hålrörlighet är nyckelparametrar för design och prestanda hos elektroniska enheter. Takeda och medarbetare var de första att mäta elektronrörlighet i epitaxiella filmer av InGaAs på InP-substrat. Uppmätta bärarmobiliteter för elektroner och hål visas i figur 4.

Transportörernas rörlighet i Ga
0,47 I
0,53 Som är ovanligt i två avseenden:

  • Det mycket höga värdet av elektronrörlighet
  • Det ovanligt stora förhållandet mellan elektron- och hålrörlighet.

Rumstemperaturens elektronrörlighet för någorlunda rena prover av Ga
0,47 In
0,53 As närmar sig 10 × 10 3 cm 2 ·V −1 ·s −1 , vilket är den största av alla tekniskt viktiga halvledare, även om den är betydligt mindre än den för grafen .

Rörligheten är proportionell mot bärarens konduktivitet. När rörligheten ökar, ökar också transistorernas strömförande kapacitet. fotodetektorernas svarstid . En större rörlighet minskar seriemotståndet, och detta förbättrar enhetens effektivitet och minskar brus och strömförbrukning.

Minoritetsbärardiffusionskonstanten är direkt proportionell mot bärarrörlighet. Rumstemperaturens diffusionskonstant för elektroner vid 250 cm 2 ·s −1 är betydligt större än den för Si, GaAs, Ge eller InP, och bestämmer den ultrasnabba responsen för Ga
0,47 In
0,53 As fotodetektorer.

Förhållandet mellan elektron- och hålrörlighet är det största av de halvledare som används för närvarande.

Ansökningar

Fig.5 övre: Ge fotodiod nedre: GaInAs fotodiod i våglängdsområdet 1 μm till 2 μm.

Fotodetektorer

Den huvudsakliga tillämpningen av GaInAs är som en infraröd detektor . Det spektrala svaret för en GaInAs-fotodiod visas i figur 5. GaInAs-fotodioder är det föredragna valet i våglängdsområdet 1,1 μm < λ < 1,7 μm. Till exempel, jämfört med fotodioder gjorda av Ge, har GaInAs fotodioder snabbare tidssvar, högre kvanteffektivitet och lägre mörkström för samma sensorområde. GaInAs fotodioder uppfanns 1977 av Pearsall.

Lavinfotodioder erbjuder fördelen av ytterligare förstärkning på bekostnad av svarstid. Dessa enheter är särskilt användbara för detektering av enstaka fotoner i applikationer som kvantnyckeldistribution där svarstiden inte är kritisk. Lavinfotodetektorer kräver en speciell struktur för att minska omvänd läckström på grund av tunnling. De första praktiska lavinfotodioderna designades och demonstrerades 1979.

1980 utvecklade Pearsall en fotodioddesign som utnyttjar den unikt korta diffusionstiden med hög rörlighet för elektroner i GaInAs, vilket leder till en ultrasnabb svarstid. Denna struktur utvecklades vidare och döptes därefter till UTC, eller uni-travelling carrier photodiode. 1989 designade och demonstrerade Wey och medarbetare en stift GaInAs/InP-fotodioder med en svarstid kortare än 5 pikosekunder för en detektoryta som mäter 5 μm x 5 μm.

Andra viktiga innovationer inkluderar den integrerade fotodioden – FET-mottagare och konstruktionen av GaInAs focal-plane arrays.

Lasrar

Halvledarlasrar är en viktig applikation för GaInAs, efter fotodetektorer. GaInAs kan användas som lasermedium. Enheter har konstruerats som fungerar vid våglängder på 905 nm, 980 nm, 1060 nm och 1300 nm. InGaAs kvantprickar på GaAs har också studerats som lasrar. GaInAs/ InAlAs kvantbrunnarslasrar kan ställas in för att fungera vid λ = 1500 nm fönster med låg förlust och låg spridning för optisk fibertelekommunikation. År 1994 användes GaInAs/ AlInAs kvantbrunnar av Jérôme Faist och medarbetare som uppfann och demonstrerade en ny typ av halvledarlaser baserad på fotonemission av en elektron som gör en optisk övergång mellan delband i kvantbrunnen. De visade att fotonemissionsregionerna kan kaskadkopplas i serie, vilket skapar kvantkaskadlasern ( QCL) . Energin för fotonemission är en bråkdel av bandgap-energin. Till exempel fungerar GaInAs/ AlInAs QCL vid rumstemperatur i våglängdsområdet 3 μm < λ < 8 μm. Våglängden kan ändras genom att modifiera bredden på GaInAs-kvantbrunnen. Dessa lasrar används ofta för kemisk avkänning och föroreningskontroll.

Solceller och transistorer

GaInAs används i solceller med trippelövergångar och även för termofotovoltaisk kraftgenerering.

In
0,015 Ga
0,985 As kan användas som en mellanliggande bandgap-övergång i solcellsceller med flera korsningar med en perfekt gittermatchning till Ge. Den perfekta gittermatchningen med Ge minskar defektdensiteten, vilket förbättrar celleffektiviteten. [ citat behövs ]

HEMT- enheter som använder InGaAs-kanaler är en av de snabbaste typerna av transistorer [ citat behövs ]

2012 tillkännagav MIT-forskare den minsta transistorn som någonsin byggts av ett annat material än kisel. Metalloxid -halvledarfälteffekttransistorn ( MOSFET ) är 22 nanometer lång. Detta är en lovande prestation, men mer arbete krävs för att visa att den minskade storleken resulterar i förbättrad elektronisk prestanda jämfört med kisel- eller GaAs-baserade transistorer.

2014 utvecklade forskare vid Penn State University en ny enhetsprototyp designad för att testa nanotrådar gjorda av sammansatta halvledare som InGaAs. Målet med denna enhet var att se om ett sammansatt material skulle behålla sin överlägsna rörlighet i nanoskala dimensioner i en FinFET-enhetskonfiguration. Resultaten av detta test utlöste mer forskning, av samma forskargrupp, av transistorer gjorda av InGaAs som visade att när det gäller ström vid lägre matningsspänning, presterade InGaAs mycket bra jämfört med befintliga kiselenheter.

I februari 2015 indikerade Intel att de kan använda InGaAs för sin 7 nanometer CMOS-process 2017.

Säkerhet och toxicitet

Syntesen av GaInAs, liksom den av GaAs, involverar oftast användningen av arsin ( AsH
3 ), en extremt giftig gas. Syntes av InP involverar likaledes oftast fosfin ( PH
3 ). Inandning av dessa gaser neutraliserar syreupptaget i blodomloppet och kan vara dödligt inom några minuter om giftiga dosnivåer överskrids. Säker hantering innebär användning av ett känsligt system för detektering av giftig gas och fristående andningsapparat.

När GaInAs väl har avsatts som en tunn film på ett substrat är den i princip inert och är resistent mot nötning, sublimering eller upplösning av vanliga lösningsmedel som vatten, alkoholer eller acetoner . I enhetsform är volymen av GaInAs vanligtvis mindre än 1000 μm 3 , och kan försummas jämfört med volymen av det bärande substratet, InP eller GaAs.

National Institutes of Health studerade dessa material och fann:

  • Inga tecken på carcinogen aktivitet av galliumarsenid hos F344/N-hanråttor exponerade för 0,01, 0,1 eller 1,0 mg/m 3
  • Cancerframkallande aktivitet hos F344/N honråttor
  • Inga tecken på cancerogen aktivitet hos B6C3F1-möss av han- eller honkön som exponerats för 0,1, 0,5 eller 1,0 mg/m 3 .

Världshälsoorganisationens internationella byrå för cancerforsknings granskning av NIHs toxikologiska studie drog slutsatsen :

  • Det finns otillräckliga bevis hos människor för carcinogeniciteten av galliumarsenid.
  • Det finns begränsade bevis hos försöksdjur för carcinogeniciteten av galliumarsenid.
  • Galliumdelen kan vara ansvarig för lungcancer som observerats hos honråttor

REACH ( Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals ) är ett europeiskt initiativ för att klassificera och reglera material som används, eller produceras (även som avfall) i tillverkningen. REACH tar hänsyn till tre toxiska klasser: cancerframkallande, reproduktionsförmåga och mutagena egenskaper.

REACH-klassificeringsförfarandet består av två grundläggande faser. I fas ett bestäms farorna som är inneboende med materialet, utan någon hänsyn till hur materialet kan användas eller påträffas på arbetsplatsen eller av en konsument. I fas två övervägs risken för skadlig exponering tillsammans med procedurer som kan minska exponeringen. Både GaAs och InP är i fas 1-utvärdering. Den huvudsakliga exponeringsrisken uppstår under substratberedning där slipning och polering genererar mikronstora partiklar av GaAs och InP. Liknande problem gäller för skivning av skivor för att göra individuella enheter. Detta partikeldamm kan absorberas genom andning eller förtäring. Det ökade förhållandet mellan ytarea och volym för sådana partiklar ökar deras kemiska reaktivitet.

Toxikologiska studier är baserade på rått- och mössexperiment. Inga jämförbara studier testar effekterna av att inta GaAs eller InP-damm i en flytande slurry.

REACH-förfarandet, som agerar enligt försiktighetsprincipen , tolkar "otillräckliga bevis för cancerframkallande egenskaper" som "möjligt cancerframkallande". Som ett resultat Europeiska kemikaliemyndigheten InP 2010 som ett cancerframkallande och reproduktionstoxin:

  • Klassificering och märkning i enlighet med direktiv 67/548/EEG
  • Klassificering: Carc. Katt. 2; R45
  • Repr. Katt. 3; R62

och ECHA klassade GaAs 2010 som ett cancerframkallande och reproduktionstoxin:

  • Klassificering och märkning i enlighet med direktiv 67/548/EEG:
  • Klassificering 3: Carc. Katt. 1; R45
  • Repro. Katt. 2; 60 kr

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Indium_gallium_arsenide&oldid=1138689287 "