Arseneto de gálio e índio - Indium gallium arsenide
Arsenieto de índio e gálio (InGaAs) (alternativamente arsenieto de gálio e gálio, GaInAs) é uma liga ternária ( composto químico ) de arsenieto de índio (InAs) e arsenieto de gálio (GaAs). O índio e o gálio são elementos ( grupo III ) da tabela periódica, enquanto o arsênio é um elemento ( grupo V ). As ligas feitas destes grupos químicos são referidas como compostos "III-V" . InGaAs tem propriedades intermediárias entre as de GaAs e InAs. InGaAs é um semicondutor de temperatura ambiente com aplicações em eletrônica e fotônica .
A principal importância do GaInAs é sua aplicação como fotodetector de alta velocidade e alta sensibilidade preferido para telecomunicações de fibra óptica.
Nomenclatura
Arsenieto de gálio e índio (InGaAs) e arsenieto de gálio-índio (GaInAs) são usados alternadamente. De acordo com os padrões IUPAC , a nomenclatura preferida para a liga é Ga x In 1-x As, onde os elementos do grupo III aparecem em ordem crescente do número atômico, como no sistema de liga relacionado Al x Ga 1-x As. De longe, a composição de liga mais importante do ponto de vista tecnológico e comercial é Ga 0,47 em 0,53 As, que pode ser depositado em forma de cristal único em fosfeto de índio (InP).
Síntese de materiais
GaInAs não é um material que ocorre naturalmente. O material de cristal único é necessário para aplicações de dispositivos eletrônicos e fotônicos. Pearsall e colaboradores foram os primeiros a descrever o crescimento epitaxial de cristal único de In 0,53 Ga 0,47 As em substratos de InP orientados para (111) e orientados para (100). O material de cristal único na forma de filme fino pode ser cultivado por epitaxia da fase líquida (LPE), fase de vapor (VPE), por epitaxia de feixe molecular (MBE) e por deposição de vapor químico metalorgânico (MO-CVD). Hoje, a maioria dos dispositivos comerciais é produzida pela MO-CVD ou pela MBE.
As propriedades ópticas e mecânicas de InGaAs podem ser variadas mudando a proporção de InAs e GaAs, In
1-xGa
xComo . A maioria dos dispositivos InGaAs são cultivados em substratos de fosfeto de índio (InP). A fim de corresponder à constante de rede de InP e evitar deformação mecânica, In
0,53Ga
0,47Como é usado. Esta composição tem uma borda de absorção óptica em 0,75 eV, correspondendo a um comprimento de onda de corte de λ = 1,68 μm a 295 K.
Ao aumentar a fração molar de InAs ainda mais em comparação com GaAs, é possível estender o comprimento de onda de corte até cerca de λ = 2,6 μm. Nesse caso, medidas especiais devem ser tomadas para evitar deformação mecânica por diferenças nas constantes de rede .
O GaAs tem uma estrutura incompatível com o germânio (Ge) em 0,08%. Com a adição de 1,5% de InAs à liga, In 0,015 Ga 0,985 As torna-se entrelaçado com o substrato Ge, reduzindo a tensão na deposição subsequente de GaAs.
Propriedades eletrônicas e ópticas
O InGaAs possui um parâmetro de rede que aumenta linearmente com a concentração de InAs na liga. O diagrama de fase líquido-sólido mostra que durante a solidificação de uma solução contendo GaAs e InAs, GaAs é absorvido a uma taxa muito maior do que InAs, esgotando a solução de GaAs. Durante o crescimento da solução, a composição do primeiro material a solidificar é rica em GaAs, enquanto o último material a solidificar é mais rico em InAs. Esta característica foi explorada para produzir lingotes de InGaAs com composição graduada ao longo do comprimento do lingote. No entanto, a deformação introduzida pela alteração da constante de rede faz com que o lingote seja policristalino e limita a caracterização a alguns parâmetros, tais como bandgap e constante de rede com incerteza devido à graduação composicional contínua nessas amostras.
Propriedades de GaInAs de cristal único
GaInAs de cristal único
Filmes epitaxiais de cristal único de GaInAs podem ser depositados em um substrato de cristal único de semicondutor III-V tendo um parâmetro de rede próximo ao da liga específica de arsenieto de gálio e índio a ser sintetizada. Três substratos podem ser usados: GaAs, InAs e InP. Uma boa combinação entre as constantes de rede do filme e do substrato é necessária para manter as propriedades do cristal único e esta limitação permite pequenas variações na composição da ordem de alguns por cento. Portanto, as propriedades dos filmes epitaxiais de ligas de GaInAs cultivadas em GaAs são muito semelhantes às de GaAs e aquelas cultivadas em InAs são muito semelhantes a InAs, porque a cepa de incompatibilidade de rede geralmente não permite um desvio significativo da composição do substrato binário puro.
Ga
0,47No
0,53As é a liga cujo parâmetro de rede corresponde ao de InP em 295 K. A rede GaInAs combinada a InP é um semicondutor com propriedades bastante diferentes de GaAs, InAs ou InP. Ele tem um gap de energia de 0,75 eV, uma massa efetiva de elétrons de 0,041 e uma mobilidade de elétrons próxima a 10.000 cm 2 · V −1 · s −1 em temperatura ambiente, todos os quais são mais favoráveis para muitas aplicações de dispositivos eletrônicos e fotônicos quando comparado com GaAs, InP ou mesmo Si. As medições do intervalo de banda e da mobilidade de elétrons de GaInAs de cristal único foram publicadas pela primeira vez por Takeda e colaboradores.
| Propriedade | Valor em 295 K | Referência |
|---|---|---|
| Parâmetro de rede | 5,869 Å | |
| Band Gap | 0,75 eV | |
| Massa efetiva de elétron | 0,041 | |
| Massa efetiva de buraco de luz | 0,051 | |
| Mobilidade de elétrons | 10.000 cm 2 · V −1 · s −1 | |
| Mobilidade do buraco | 250 cm 2 · V −1 · s −1 |
Parâmetro de rede FCC
Como a maioria dos materiais, o parâmetro de rede de GaInAs é uma função da temperatura. O coeficiente de expansão térmica medido é5,66 × 10 −6 K −1 . Isso é significativamente maior do que o coeficiente para InP, que é4,56 × 10 −6 K −1 . Um filme que é exatamente a correspondência de rede com InP à temperatura ambiente é normalmente cultivado a 650 ° C com uma incompatibilidade de rede de +6,5 × 10 −4 . Esse filme tem uma fração molar de GaAs = 0,47. Para obter correspondência de rede na temperatura de crescimento, é necessário aumentar a fração molar de GaAs para 0,48.
Energia bandgap
A energia do bandgap de GaInAs pode ser determinada a partir do pico no espectro de fotoluminescência , desde que a impureza total e a concentração de defeito sejam menores que5 × 10 16 cm −3 . A energia do bandgap depende da temperatura e aumenta à medida que a temperatura diminui, como pode ser visto na Fig. 3 para as amostras do tipo n e do tipo p. A energia do bandgap à temperatura ambiente é 0,75 eV e fica entre a do Ge e do Si. Por coincidência, o bandgap de GaInAs está perfeitamente posicionado para aplicações de fotodetector e laser para a janela de transmissão de comprimento de onda longo (a banda C e a banda L) para comunicações de fibra óptica .
Massa efetiva
A massa efetiva do elétron de GaInAs m * / m ° = 0,041 é a menor para qualquer material semicondutor com um intervalo de energia maior que 0,5 eV. A massa efetiva é determinada a partir da curvatura da relação energia-momento: uma curvatura mais forte se traduz em menor massa efetiva e um maior raio de deslocalização. Em termos práticos, uma baixa massa efetiva leva diretamente a uma alta mobilidade do portador, favorecendo maior velocidade de transporte e capacidade de carga de corrente. Uma menor massa efetiva do portador também favorece o aumento da corrente de tunelamento, um resultado direto da deslocalização.
A banda de valência tem dois tipos de portadores de carga: orifícios leves: m * / m ° = 0,051 e orifícios pesados: m * / m ° = 0,2. As propriedades elétricas e ópticas da banda de valência são dominadas pelos buracos pesados, porque a densidade desses estados é muito maior do que a dos buracos leves. Isso também se reflete na mobilidade dos buracos a 295 K, que é um fator 40 menor do que para os elétrons.
Mobilidade de elétrons e buracos
A mobilidade do elétron e a mobilidade do buraco são parâmetros-chave para o projeto e o desempenho de dispositivos eletrônicos. Takeda e colaboradores foram os primeiros a medir a mobilidade de elétrons em filmes epitaxiais de InGaAs em substratos de InP. As mobilidades de portadores medidas para elétrons e lacunas são mostradas na Figura 4.
A mobilidade dos portadores em Ga
0,47No
0,53Como é incomum em dois aspectos:
- O valor muito alto da mobilidade do elétron
- A proporção incomumente grande de mobilidade do elétron para o buraco.
A mobilidade de elétrons à temperatura ambiente para amostras razoavelmente puras de Ga
0,47No
0,53À medida que se aproxima10 × 10 3 cm 2 · V −1 · s −1 , que é o maior de qualquer semicondutor tecnologicamente importante, embora significativamente menos do que o grafeno .
A mobilidade é proporcional à condutividade do portador. À medida que a mobilidade aumenta, também aumenta a capacidade de transporte de corrente dos transistores. Uma maior mobilidade encurta o tempo de resposta dos fotodetectores . Uma maior mobilidade reduz a resistência em série e isso melhora a eficiência do dispositivo e reduz o ruído e o consumo de energia.
A constante de difusão da portadora minoritária é diretamente proporcional à mobilidade da portadora. A constante de difusão da temperatura ambiente para elétrons em250 cm 2 · s −1 é significativamente maior do que o de Si, GaAs, Ge ou InP, e determina a resposta ultrarrápida de Ga
0,47No
0,53Como fotodetectores.
A razão entre a mobilidade do elétron e do buraco é a maior dos semicondutores usados atualmente.
Formulários
Fotodetectores
A principal aplicação do GaInAs é como detector de infravermelho . A resposta espectral de um fotodiodo GaInAs é mostrada na Figura 5. Os fotodíodos GaInAs são a escolha preferida na faixa de comprimento de onda de 1,1 μm <λ <1,7 μm. Por exemplo, em comparação com os fotodiodos feitos de Ge, os fotodiodos GaInAs têm resposta de tempo mais rápida, maior eficiência quântica e menor corrente escura para a mesma área do sensor. Os fotodiodos GaInAs foram inventados em 1977 por Pearsall.
Os fotodiodos de avalanche oferecem a vantagem de ganho adicional em detrimento do tempo de resposta. Esses dispositivos são especialmente úteis para a detecção de fótons únicos em aplicações como distribuição de chave quântica, onde o tempo de resposta não é crítico. Os fotodetectores de avalanche requerem uma estrutura especial para reduzir a corrente de fuga reversa devido ao tunelamento. Os primeiros fotodiodos de avalanche práticos foram projetados e demonstrados em 1979.
Em 1980, Pearsall desenvolveu um projeto de fotodiodo que explora o tempo de difusão excepcionalmente curto de alta mobilidade de elétrons em GaInAs, levando a um tempo de resposta ultrarrápido. Esta estrutura foi posteriormente desenvolvida e posteriormente denominada UTC, ou fotodiodo portadora uni-travelling. Em 1989, Wey e colegas de trabalho projetaram e demonstraram fotodiodos de pino GaInAs / InP com um tempo de resposta menor que 5 picossegundos para uma superfície de detector medindo 5 μm x 5 μm.
Outras inovações importantes incluem o fotodiodo integrado - receptor FET e a engenharia de matrizes de plano focal GaInAs.
Lasers
Os lasers semicondutores são uma aplicação importante para GaInAs, seguindo os fotodetectores. GaInAs pode ser usado como meio de laser. Foram construídos dispositivos que operam em comprimentos de onda de 905 nm, 980 nm, 1060 nm e 1300 nm. Pontos quânticos InGaAs em GaAs também foram estudados como lasers. Lasers de poços quânticos GaInAs / InAlAs podem ser ajustados para operar na janela de baixa perda e dispersão λ = 1500 nm para telecomunicações de fibra óptica Em 1994, poços quânticos GaInAs / AlInAs foram usados por Jérôme Faist e colegas de trabalho que inventaram demonstraram um novo tipo de laser semicondutor baseado na emissão de fótons por um elétron fazendo uma transição óptica entre sub-bandas no poço quântico. Eles mostraram que as regiões de emissão de fótons podem ser cascateadas em série, criando o laser em cascata quântica (QCL). A energia de emissão de fótons é uma fração da energia do bandgap. Por exemplo, GaInAs / AlInAs QCL opera em temperatura ambiente na faixa de comprimento de onda 3 μm <λ <8 μm. O comprimento de onda pode ser alterado modificando a largura do poço quântico GaInAs. Esses lasers são amplamente usados para detecção química e controle de poluição.
Fotovoltaicos e transistores
GaInAs é usado em triplo-junção energia fotovoltaica e também para thermophotovoltaic geração de energia.
No
0,015Ga
0,985As pode ser usado como uma junção de gap intermediário em células fotovoltaicas de multi-junção com uma estrutura perfeita para Ge. A combinação perfeita de rede com Ge reduz a densidade de defeitos, melhorando a eficiência da célula.
Dispositivos HEMT usando canais InGaAs são um dos tipos mais rápidos de transistor
Em 2012, os pesquisadores do MIT anunciaram o menor transistor já construído com um material diferente do silício. O transistor de efeito de campo semicondutor de óxido de metal ( MOSFET ) tem 22 nanômetros de comprimento. Esta é uma realização promissora, mas mais trabalho é necessário para mostrar que o tamanho reduzido resulta em desempenho eletrônico melhorado em relação ao de silício ou transistores baseados em GaAs.
Em 2014, pesquisadores da Penn State University desenvolveram um novo protótipo de dispositivo projetado para testar nanofios feitos de semicondutores compostos, como InGaAs. O objetivo deste dispositivo era ver se um material composto manteria sua mobilidade superior em dimensões em nanoescala em uma configuração de dispositivo FinFET. Os resultados deste teste geraram mais pesquisas, pela mesma equipe de pesquisa, em transistores feitos de InGaAs, que mostraram que em termos de corrente em tensão de alimentação mais baixa, o InGaAs teve um desempenho muito bom em comparação com os dispositivos de silício existentes.
Em fevereiro de 2015, a Intel indicou que pode usar InGaAs para seu processo CMOS de 7 nanômetros em 2017.
Segurança e toxicidade
A síntese de GaInAs, como a de GaAs, na maioria das vezes envolve o uso de arsina ( AsH
3), um gás extremamente tóxico. Da mesma forma, a síntese de InP envolve mais frequentemente fosfina ( PH
3) A inalação desses gases neutraliza a absorção de oxigênio pela corrente sanguínea e pode ser fatal em poucos minutos se os níveis de dose tóxica forem excedidos. O manuseio seguro envolve o uso de um sistema de detecção de gás tóxico sensível e aparelho de respiração autônomo.
Uma vez que o GaInAs é depositado como uma película fina sobre um substrato, ele é basicamente inerte e resistente à abrasão, sublimação ou dissolução por solventes comuns como água, álcoois ou acetonas . Na forma de dispositivo, o volume de GaInAs é geralmente menor que1000 μm 3 , e pode ser desprezado em comparação com o volume do substrato de suporte, InP ou GaAs.
O National Institutes of Health estudou esses materiais e descobriu:
- Nenhuma evidência de atividade carcinogênica de arsenieto de gálio em ratos machos F344 / N expostos a 0,01, 0,1 ou1,0 mg / m 3
- Atividade carcinogênica em ratos fêmeas F344 / N
- Nenhuma evidência de atividade carcinogênica em camundongos B6C3F1 machos ou fêmeas expostos a 0,1, 0,5 ou 1,0 mg / m 3 .
A Organização Mundial de Saúde da Agência Internacional de Investigação do Cancro revisão do estudo de toxicologia NIH 's concluiu:
- Existem evidências inadequadas em humanos para a carcinogenicidade do arseneto de gálio.
- Há evidências limitadas em animais experimentais para a carcinogenicidade do arseneto de gálio.
- A porção de gálio pode ser responsável por câncer de pulmão observado em ratas
REACH ( Registro, Avaliação, Autorização e Restrição de Produtos Químicos ) é uma iniciativa europeia para classificar e regulamentar os materiais que são usados ou produzidos (mesmo como resíduos) na fabricação. O REACH considera três classes tóxicas: capacidade cancerígena, reprodutiva e mutagênica.
O procedimento de classificação REACH consiste em duas fases básicas. Na fase um, os perigos intrínsecos ao material são determinados, sem nenhuma consideração de como o material pode ser usado ou encontrado no local de trabalho ou por um consumidor. Na fase dois, o risco de exposição prejudicial é considerado juntamente com procedimentos que podem mitigar a exposição. Tanto o GaAs quanto o InP estão na fase 1 de avaliação. O principal risco de exposição ocorre durante a preparação do substrato, onde a moagem e o polimento geram partículas de tamanho mícron de GaAs e InP. Preocupações semelhantes se aplicam aos dados de wafer para fazer dispositivos individuais. Essa partícula de poeira pode ser absorvida pela respiração ou ingestão. O aumento da proporção entre a área de superfície e o volume dessas partículas aumenta sua reatividade química.
Os estudos de toxicologia são baseados em experimentos com ratos e camundongos. Nenhum estudo comparável testa os efeitos da ingestão de GaAs ou poeira de InP em uma pasta líquida.
O procedimento REACH, agindo sob o princípio da precaução , interpreta "evidência inadequada de carcenogenicidade" como "possível carcinógeno". Como resultado, a Agência Europeia de Produtos Químicos classificou o InP em 2010 como uma toxina cancerígena e reprodutiva:
- Classificação e rotulagem de acordo com a Diretiva 67/548 / EEC
- Classificação: Carc. Gato. 2; R45
- Repr. Gato. 3; R62
e a ECHA classificou GaAs em 2010 como uma toxina cancerígena e reprodutiva:
- Classificação e rotulagem de acordo com a Diretiva 67/548 / EEC:
- Classificação 3: Carc. Gato. 1; R45
- Repro. Gato. 2; R60
Veja também
Referências
links externos
- Arquivo de dados NSM no Instituto Ioffe, São Petersburgo, Rússia