Арсенид галлия-индия — тройное соединение мышьяка с трехвалентными индием и галлием, соединение переменного состава, состав выражается химической формулой GaxIn1-xAs. Здесь параметр x принимает значения от 0 до 1 и показывает относительное количество атомов галлия и индия в соединении. При x=1 формула отвечает арсениду галлия, при x=0 — арсениду индия.
| Арсенид галлия-индия | |
|---|---|
| Общие | |
| Систематическое наименование |
Арсенид галлия-индия |
| Традиционные названия | индия галлия арсенид, индия-галлия арсенид, арсенид индия-галлия, галлия индия арсенид |
| Хим. формула | GaxIn1-xAs |
| Физические свойства | |
| Молярная масса | переменная, зависит от х г/моль |
| Плотность | 6,06 — 0,41 х |
| Термические свойства | Температура |
| • плавления | от 942 до 1240 °C |
| Химические свойства | |
| Диэлектрическая проницаемость | 8 — 12 |
| Структура | |
| Координационная геометрия | тетраэдрическая |
| Кристаллическая структура |
кубическая, типа сфалерита |
| Безопасность | |
| NFPA 704 |
|
В литературе параметр х, где не возникает двусмысленности, обычно опускается, и формула GaInAs подразумевает именно это соединение указанного переменного состава. В более узком смысле, обозначение GaInAs относится к наиболее изученному составу с формулой Ga0,47In0,53As, это обычно явно указывается. Иногда, в литературе, встречается обозначение этого соединения InGaAs.
Соединение является полупроводником с высокой подвижностью носителей заряда. Используется в качестве полупроводникового материала для создания приборов СВЧ, светодиодов, полупроводниковых лазеров, фотодатчиков, фотогальванических элементов, как правило, в гетероструктурах.
История получения и изучения
Впервые монокристаллические плёнки InGaAs получил Т. П. Пирсол (T. P. Pearsall) в 1976 г. В качестве подложки исследователь использовал монокристалл фосфида индия и применил метод газофазной эпитаксии. Он также изучил его полупроводниковые свойства, такие как подвижности, эффективные массы носителей тока, ширину запрещенной зоны и др. фундаментальные свойства InGaAs. В 1978 г. Т. П. Пирсол впервые продемонстрировал эффективный диод с p-i-n структурой, изготовленный из InGaAs, а в 1980 г. — униполярный фотодиод из этого же соединения.
В наше время (2012 г.) оба типа этих приборов широко используются в оптоволоконной технике.
Физические свойства
InGaAs представляет собой серые, почти чёрные кристаллы с металлическим блеском. Температура плавления изменяется в зависимости от состава (х) от 942 °С (у InAs) до 1240 °С (у GaAs). Хорошо изученное соединение состава Ga0,47In0,53As плавится при температуре около 1100 °С.
Кристаллическая структура
Сингония кристалла InGaAs — кубическая, типа цинковой обманки (сфалерита). Пространственная группа симметрии Td2-F35m. Постоянная решётки L зависит от параметра х и описывается эмпирической формулой:
- L = 0,606 — 0,041 х (нм).
Постоянная решётки арсенида галлия (GaAs) всего на 0,08 % отличается от таковой у германия. Замещение всего 1,5 % Ga в GaAs на In обеспечивает практически идеальное согласование постоянных решёток, что снижает напряжения в выращиваемых плёнки Ge на GaAs или плёнки GaAs на Ge и снижает концентрации дислокаций, ловушек заряда и поверхностных состояний. Альтернативным способом согласования постоянных решёток является легирование Ge кремнием (Si) (около 1 %).
Полупроводниковые и оптические свойства
Полупроводниковые и оптические свойства сильно зависят от соотношения In и Ga.
Ширина запрещенной зоны Eg при 300 К плавно изменяется в зависимости от х от 0,354 эВ у InAs до 1,42 эВ у GaAs в соответствие с эмпирической формулой:
- Eg = 0,354 + 0,63 х + 0,43 х2 (эВ).
Именно наличие индия в этом соединении определяет «двумерность» плотности носителей заряда.
Соединение состава Ga0,47In0,53As имеет границу поглощения в инфракрасном диапазоне (ИК) 1,68 мкм. Увеличение концентрации индия в соединении сдвигает эту границу до 2,6 мкм. При чрезмерном увеличении концентрации In по сравнению с Ga увеличивается возможность механических напряжений в эпитаксиальной плёнке из-за рассогласования постоянных решёток при выращивании на монокристалле InP. Для избежания этого, нужно применять дополнительные меры.
Получение
Эпитаксиальные плёнки InGaAs обычно выращивают на подложках методом газофазной эпитаксии из разреженной смеси газов, например, триметилгаллия, триметилиндия и арсина, причем параметр х при таком процессе можно регулировать, изменяя концентрации триметилгаллия и триметилиндия в газе:
- 2 Ga(CH3)3 + 2 In(CH3)3 + 2 AsH3 → 2 InGaAs + 3 C2H6 + 6 CH4.
Также плёнки InGaAs получают методом молекулярно-пучковой эпитаксии:
- 4 Ga + 4 In + As4 → 4 GaInAs.
В качестве подложки обычно применяют монокристаллический фосфид индия (InP). Для согласования параметров решёток последний подвергают механическому напряжению.
Химические свойства
GaInAs относительно инертное соединение. Реагирует с водой и кислотами с выделением арсина, при этом образуются гидрооксиды (с водой) или соответствующие соли (с кислотами). Для упрощения коэффициентов показано взаимодействие воды с эквиатомным содержанием галлия и индия, отвечает формуле Ga0,5In0,5As:
- GaInAs2 + 6 H2O → Ga(OH)3 + In(OH)3 + 2 AsH3;
Окисляется кислородом до трёхвалентных оксидов металлов и, в зависимости от условий окисления, до элементарного мышьяка или оксидов мышьяка.
Применение
GaInAs используется в качестве материала при создании электронных приборов для сильноточной электроники, СВЧ электроники, оптических приемников и излучателей ИК диапазона. Он имеет преимущества по сравнению с кремнием и арсенидом галлия, ввиду большей подвижности носителей заряда.
Варьируя состав (х), можно оптимизировать спектры излучения и чувствительности приёмников в ближнем ИК, что находит применение в оптоволоконных технологиях передачи данных, использующих ИК-излучение с длиной волн 1300 и 1550 нм.
На основе этого материала изготавливаются СВЧ-транзисторы, в частности, было сообщено, что создан транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT) (ТВПЭ) на основе гетероструктуры InP — InGaAs, рабочая частота которого рекордна и превысила 600 ГГц.
GaInAs вытесняет германий в качестве материала для изготовления приёмников ближнего ИК, так как имеет значительно меньший темновой ток и находит применение в некоторых фотокамерах ближнего ИК.
Также InGaAs имеет меньший лавинный шум по сравнению с германием, в лавинных фотодиодах, где используется в виде лавинного слоя.
Перспективно применение GaInAs в качестве рабочего тела полупроводниковых лазеров, работающих на длинах волн 905 нм, 980 нм, 1060 нм и 1300 нм.
Квантовые точки из GaInAs в матрице GaAs изучались с точки зрения применения в лазерах.
Соединение Ga0,47In0,53As может использоваться в качестве промежуточного слоя с большей шириной запрещённой зоны в многослойных фотогальванических ячейках, так как благодаря прекрасному согласованию постоянных решёток его с германием, снижается плотность дислокаций, и, тем самым, повышается КПД ячейки.
Токсичность и вредность
С этой точки зрения GaInAs недостаточно изучен. Известно, что пыль соединения вызывает раздражение кожи, глаз и лёгких. Также, при взаимодействии с водой или кислотами выделяется очень ядовитый арсин. Аспекты охраны труда и производственной гигиены в процессе газовой эпитаксии, при которой используются такие соединения, как триметилгаллий и арсин, изложены в обзоре.
