Введение

Сплав

Индий-галлиевый арсенид (InGaAs) (также галлий-индиевый арсенид, GaInAs) — это тройной сплав (химическое соединение) арсенида индия (InAs) и арсенида галлия (GaAs). Индий и галлий относятся к элементам III группы периодической таблицы, а мышьяк — к элементам V группы. Сплавы, состоящие из этих химических групп, называются соединениями «III–V». InGaAs обладает свойствами, занимающими промежуточное положение между свойствами GaAs и InAs. InGaAs является полупроводником, работающим при комнатной температуре, и находит применение в электронике и фотонике. Главное применение GaInAs — это использование в качестве высокоскоростного и высокочувствительного фотодетектора для оптической волоконной связи.

Номенклатура

Арсенид индия-галлия (InGaAs) и арсенид галлия-индия (GaInAs) используются как взаимозаменяемые обозначения. В соответствии со стандартами IUPAC предпочтительной номенклатурой для этого сплава является GaxIn1–xAs, где элементы III группы располагаются в порядке возрастания атомного номера, как и в родственной системе сплавов AlxGa1–xAs. С технологической и коммерческой точек зрения наиболее важным составом сплава является Ga0.47In0.53As, который может быть выращен в виде монокристаллов на подложке из фосфида индия (InP).

Синтез материалов

GaInAs не является природным материалом. Для применения в электронных и фотонных устройствах требуется однокристаллический материал. Персалл и его коллеги первыми описали однокристаллический эпитаксиальный рост In0.53Ga0.47As на подложках InP с ориентацией (111) и (100). Однокристаллический материал в виде тонкой пленки может быть выращен эпитаксией из жидкой фазы (LPE), из газовой фазы (VPE), молекулярно-лучевой эпитаксией (MBE) и металоорганической химической газофазной эпитаксией (MO CVD). В настоящее время большинство коммерческих устройств производится методами MO CVD или MBE. Оптические и механические свойства InGaAs могут изменяться путем изменения соотношения InAs и GaAs. Большинство устройств на основе InGaAs выращиваются на подложках из фосфида индия (InP). Для соответствия решетчатой константе InP и предотвращения механических напряжений используется In0.53Ga0.47As. Эта композиция имеет край оптического поглощения при 0,75 эВ, что соответствует длине волны отсечки λ=1,68 мкм при 295 К.

Увеличивая мольную долю InAs по сравнению с GaAs, можно увеличить длину волны отсечки до примерно λ=2,6 мкм. В этом случае необходимо принимать специальные меры для предотвращения механических напряжений, вызванных различием в решетчатых константах. GaAs имеет решетчатое несоответствие с германием (Ge) в 0,08%. При добавлении 1,5% InAs в сплав, In0.015Ga0.985As становится согласованным по решетке с подложкой из Ge, что снижает напряжение при последующем осаждении GaAs.

Электронные и оптические свойства

InGaAs имеет параметр решетки, который линейно возрастает с увеличением концентрации InAs в сплаве. Диаграмма состояния «жидкость-твердое тело».

Энергия полосы пробелов

Энергия запрещенной зоны GaInAs может быть определена по пику в спектре фотолюминесценции, при условии, что общая концентрация примесей и дефектов составляет менее 5 см−3. Энергия запрещенной зоны зависит от температуры и увеличивается с понижением температуры, что можно увидеть 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. Случайным образом, энергия запрещенной зоны GaInAs идеально подходит для применения в фотодетекторах и лазерах в диапазоне длин волн, используемом для волоконно-оптической связи (диапазоны C и L).

Эффективная масса

Эффективная масса электронов GaInAs m*/m° = 0,041. Электрические и оптические свойства валентной зоны определяются в основном тяжёлыми дырками, поскольку плотность этих состояний значительно выше, чем плотность лёгких дырок. Это также проявляется в подвижности дырок при 295 К, которая в 40 раз ниже, чем подвижность электронов.

Фотодетекторы

Основное применение GaInAs – в качестве инфракрасного детектора. Спектральная характеристика фотодиода GaInAs показана 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 обладают более быстрым временным откликом, более высокой квантовой эффективностью и меньшим темным током при той же площади сенсора. Фотодиоды GaInAs были изобретены в 1977 году Пирсоллом. Лавинные фотодиоды обеспечивают дополнительное усиление за счет времени отклика. Эти устройства особенно полезны для детектирования одиночных фотонов в таких приложениях, как квантовое распределение ключей, где время отклика не является критичным. Лавинные фотодетекторы требуют специальной структуры для снижения обратного тока утечки, вызванного туннелированием. Первые практические лавинные фотодиоды были разработаны и продемонстрированы в 1979 году. В 1980 году Пирсолл разработал конструкцию фотодиода, использующую уникально короткое время диффузии и высокую подвижность электронов в GaInAs, что обеспечивает сверхбыстрый отклик. Эта структура была далее усовершенствована и впоследствии получила название UTC, или фотодиод с односторонним переносом носителей. В 1989 году Уэй и его коллеги разработали и продемонстрировали p-i-n фотодиод GaInAs/InP с временем отклика менее 5 пикосекунд для детектора с площадью поверхности 5 мкм x 5 мкм. Другие важные инновации включают в себя интегрированный фотодиодный приемник на полевом транзисторе (FET) и разработку массивов фокальной плоскости GaInAs.

Лазеры

Полупроводниковые лазеры являются важным применением GaInAs, вслед за фотодетекторами. GaInAs может использоваться в качестве активной лазерной среды. Были созданы устройства, работающие на длинах волн 905 нм, 980 нм, 1060 нм и 1300 нм. Квантовые точки InGaAs на подложке GaAs также исследовались в качестве лазеров. Квантовые ямы GaInAs/InAlAs могут быть настроены для работы в низкопотерийном, низкодисперсионном окне λ = 1500 нм, используемом в оптических телекоммуникациях.

В 1994 году Джером Фейст и его коллеги использовали квантовые ямы GaInAs/AlInAs для создания и демонстрации нового типа полупроводникового лазера, основанного на излучении фотонов электроном при оптическом переходе между подзонами в квантовой яме. Они показали, что области излучения фотонов можно каскадировать последовательно, создавая квантовый каскадный лазер (QCL). Энергия излучаемого фотона составляет лишь часть энергии запрещенной зоны. Например, QCL на основе GaInAs/AlInAs работает при комнатной температуре в диапазоне длин волн 3 мкм < λ < 8 мкм. Длину волны можно изменять, изменяя ширину квантовой ямы GaInAs. Эти лазеры широко используются для химического анализа и контроля загрязнения окружающей среды.