Кіріспе

Индий-галлий арсениді (InGaAs) (немесе галлий-индий арсениді, GaInAs) – индий арсениді (InAs) және галлий арсениді (GaAs) арасындағы үштік қорытпа (химиялық қосылыс). Индий және галлий – периодтық кестедегі III топқа жататын элементтер, ал арсенид – V топқа жататын элемент. Осы химиялық топтардан жасалған қорытпалар "III-V" қосылыстары деп аталады. InGaAs қасиеттері GaAs және InAs қасиеттерінің аралық мәнін иеленеді. InGaAs – бөлме температурасында жұмыс істейтін жартылай өткізгіш, ол электроника және фотоника салаларында қолданылады. GaInAs-тың ең маңызды қолданысы – оптикалық талшық байланысында жоғары жылдамдықты және жоғары сезімталдықты фотодетектор ретінде пайдалануы.

Номенклатура

Индиум-галлий арсениді (InGaAs) және галлий-индий арсениді (GaInAs) жиі алмастырылып қолданылады. IUPAC стандарттарына сәйкес, қорытпаны атаудың қабылданған түрі – GaxIn1-xAs, онда III топтағы элементтер атомдық нөмірінің өсу ретімен көрсетіледі, мысалы, AlxGa1-xAs қорытпа жүйесіндегідей. Технологиялық және коммерциялық жағынан ең маңызды қорытпа құрамы – Ga0.47In0.53As, оны индий фосфиді (InP) үстіне монокристалдық түрінде жабуға болады.

Материалдарды синтездеу

GaInAs табиғи түрде кездеспейтін материал. Электрондық және фотоникалық құрылғыларға қолдану үшін бір кристалл материал қажет. Пирсолл және оның әріптестері алғаш рет In0.53Ga0.47As-тың (111) және (100) бағытталған InP субстраттарында бір кристалды эпитаксиялық өсуін сипаттады. Жұқа пленка түріндегі бір кристалл материалды сұйық фазалық эпитаксия (LPE), бу фазалық эпитаксия (VPE), молекулалық сәулелі эпитаксия (MBE) және металл-органикалық химиялық бу жинағысы (MO CVD) арқылы өсіруге болады. Бүгінде көптеген коммерциялық құрылғылар MO CVD немесе MBE арқылы өндіріледі. InGaAs-тың оптикалық және механикалық қасиеттерін InAs және GaAs арақатынасын өзгерту арқылы өзгертуге болады. Көптеген InGaAs құрылғылары индий фосфиді (InP) субстраттарында өсіріледі. InP тораптық тұрақтысына сәйкес келу және механикалық кернеуді болдырмау үшін қолданылады. Бұл құрастың 0,75 эВ оптикалық сіңіру шегі бар, бұл 295 К температурада λ=1,68 мкм кесу толқын ұзындығына сәйкес келеді. InAs мольдық үлесін GaAs-қа қарағанда одан әрі арттыру арқылы кесу толқын ұзындығын шамамен λ=2,6 мкм-ге дейін ұзартуға болады. Мұндай жағдайда тораптық тұрақтылардың айырмашылығынан туындаған механикалық кернеуді болдырмау үшін арнайы шаралар қабылдануы керек. GaAs германийге (Ge) 0,08% тораптық сәйкессіздікке ие. Қоспаға 1,5% InAs қосылғанда, In0,015Ga0,985As Ge субстратына тораптық сәйкес келеді, бұл GaAs-тың кейінгі жабыну кезіндегі кернеуді азайтады.

Электрондық және оптикалық қасиеттері

InGaAs қорытпасындағы InAs мөлшеріне пропорционалды түрде сызықтық өсетін кристалдық тор параметрі болады. Сұйық-қатты фаза диаграммасы.

Жарық аралығы энергиясы

GaInAs-тың жолақтық энергиясын фотолюминесценция спектріндегі ең жоғары нүктеден анықтауға болады, егер жалпы қосымшалар мен кемшіліктердің концентрациясы 5 см-3-тен кем болса. Жолақтық энергия температураға тәуелді және температура төмендеген сайын артады, бұл 3-суретте n және p типтес үлгілер үшін көрсетілген. Стандартты InGaAs/InP (53% InAs, 47% GaAs) үшін бөлме температурасындағы жолақтық энергия 0,75 эВ-қа тең және Ge мен Si арасында орналасқан. Құйрықай мағынасында, GaInAs жолақтық аралығы оптикалық талшық байланысы үшін ұзын толқынды тарату терезесі (C және L жолақтары) үшін фотодетекторлар мен лазерлерді қолдануға өте ыңғайлы.

Нақты масса

GaInAs электронының тиімді массасы m*/m° = 0,041. Валенттік жолақтың электрлік және оптикалық қасиеттері ауыр тесіктермен анықталады, себебі осы күйлердің тығыздығы жеңіл тесіктерге қарағанда әлдеқайда жоғары. Бұл 295 К температурадағы тесіктердің қозғалғыштығында да көрінеді, ол электрондарға қарағанда 40 есе төмен.

Фотодетекторлар

GaInAs-тың негізгі қолданылуы инфрақызыл детектор ретінде болып табылады. GaInAs фотодиодының спектрлік жауабы 5-суретте көрсетілген. GaInAs фотодиодтары 1.1 мкм < λ < 1.7 мкм толқын ұзындығы диапазонында ең қолайлы таңдау болып табылады. Мысалы, Ge-ден жасалған фотодиодтармен салыстырғанда, GaInAs фотодиодтары бірдей сенсорлық ауданы үшін жылдам жауап беру уақытына, жоғары кванттық тиімділікке және төменгі қараңғы токқа ие. GaInAs фотодиодтары 1977 жылы Пирсоллмен ойлап табылды. Аваланша фотодиодтары жауап беру уақытын құрбан ете отырып, қосымша күшейтудің артықшылығын ұсынады. Бұл құрылғылар, әсіресе, жауап беру уақыты маңызды емес жағдайларда, мысалы, кванттық кілт таратуда жеке фотондарды анықтау үшін өте пайдалы. Аваланша фотодетекторларына туннельдік эффектісінен туындаған кері ағын тогын азайту үшін арнайы құрылым қажет. Алғашқы практикалық аваланша фотодиодтары 1979 жылы жобаланып, демонстрацияланды. 1980 жылы Пирсолл GaInAs-тағы электрондардың жоғары жылдамдығының ерекше қысқа диффузиялық уақытын пайдаланатын, ультражылдам жауап беру уақытын қамтамасыз ететін фотодиодтық конструкцияны әзірледі. Бұл құрылым одан әрі дамытылып, кейіннен UTC, яғни бірыңғай тасымалдаушы фотодиоды деп аталды. 1989 жылы Вей және оның әріптестері 5 мкм x 5 мкм детекторлық беті үшін 5 пикосекундтан кем жауап беру уақытына ие GaInAs / InP фотодиодтарын жобалап, көрсетті. Басқа маңызды жаңалықтарға интегралды фотодиодтық – FET қабылдағышы және GaInAs фокустық жазықтық тізімдерін жасау кіреді.

Лазерлер

Жарымөткізгіш лазерлер фотодетекторлардан кейін GaInAs үшін маңызды қолданыс болып табылады. GaInAs лазерлік орта ретінде қолданылуы мүмкін. 905 нм, 980 нм, 1060 нм және 1300 нм толқын ұзындықтарында жұмыс істейтін құрылғылар құрастырылды. GaAs-тағы InGaAs кванттық нүктелері де лазер ретінде зерттелді. GaInAs/InAlAs кванттық құдық лазерлерін λ = 1500 нм төмен шығынды, төмен дисперсиялық терезеде оптикалық талшықты телекоммуникация үшін жұмыс істеуге реттеуге болады. 1994 жылы Джером Файст және оның әріптестері GaInAs/AlInAs кванттық құдықтарын пайдаланды, олар кванттық құдықтағы қосалқы деңгейлер арасында оптикалық көшуді жасайтын электронның фотон шығаруға негізделген жартылай өткізгіш лазердің жаңа түрін ойлап тапты және көрсетті. Олар фотон шығаратын аймақтарды сериялы түрде каскадтап, кванттық каскадты лазер (QCL) жасауға болатынын көрсетті. Фотон шығару энергиясы – бұл жолақтық энергияның бір бөлігі. Мысалы, GaInAs/AlInAs QCL бөлме температурасында 3 мкм < λ < 8 мкм толқын ұзындығы диапазонында жұмыс істейді. Толқын ұзындығын GaInAs кванттық құдығының енін өзгерту арқылы өзгертуге болады. Бұл лазерлер химиялық сезікталдық және ластануды бақылау үшін кеңінен қолданылады.